nghiên cứu xác định trường ứng suât trong trục khuỷu động cơ bằng phương pháp phân tủ hữu hạn

LỜI NÓI ĐẦU Trục khuỷu là một trong những chi tiết quan trọng, chịu tải nặng nề chế tạo khó khăn nhất trong các chi tiết của động cơ, nó có hình học phức tạp và làm việc trong điều kiện

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

NGUYỄN BÁ HỮU

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TRƯỜNG ỨNG SUẤT TRONG TRỤC KHUỶU ĐỘNG CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

Chuyên ngành: Kỹ thuật tầu thủy

GV hướng dẫn: TS Quách Hoài Nam

Nha Trang, Tháng 08 Năm 2012

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Ngày….Tháng… Năm 2012

Tác giả luận văn

Nguyễn Bá Hữu

Trang 3

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO TRỤC KHUỶU 1

1.1.1 Vật liệu 1

1.1.2 Công nghệ chế tạo 3

1.2 ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC VÀ CÁC DẠNG HỎNG CỦA TRỤC KHUỶU 4

1.2.1 Điều kiện làm việc 4

1.2.2 Các dạng hỏng của trục khuỷu 5

1.3 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 6

1.3.1 Trên thế giới 6

1.3.2 Trong nước 10

1.4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 11

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12

2.1 XÁC ĐỊNH LỰC KHÍ THỂ 12

2.1.1 Chu trình nhiệt thực của động cơ bốn kỳ 12

2.1.2 Tính lực khí thể động cơ bốn kỳ 13

2.2 XÁC ĐỊNH LỰC ĐỘNG LÊN TRỤC KHUỶU 15

2.3 PHÂN TÍCH KẾT CẤU TRỤC KHUỶU THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 19

2.3.1 Mô hình phân tích 19

2.3.2 Các trường hợp tải 21

2.3.3 Phân tích kết cấu bằng ANSYS 22

Chương 3: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN 27

3.1 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ D12 27

Trang 4

3.2 TÍNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU

THANH TRUYỀN 28

3.2.1 Tính các thông số động học và động lực học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền bằng phần mềm ADAMS 28

3.2.2 Tính các thông số động học và động lực học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền theo phương pháp mô phỏng số bằng phần mềm ADAMS 29

3.2.3 Tính các thông số động học và động lực học cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền theo phương pháp giải tích véc tơ 34

3.2.4 So sánh kết quả tính bằng ADAMS và phương pháp giải tích véc tơ 39

3.3 TÍNH LỰC KHÍ THỂ 44

3.3.1 Tính lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston bằng phần mềm ADAMS 44

3.3.2 Tính lực khí thể theo lý thuyết 46

3.3.3 So sánh kết quả tính lực khí thể bằng ADAMS và lý thuyết 48

3.4 TÍNH LỰC TÁC DỤNG LÊN CỔ KHUỶU 48

3.4.1 Lực tác dụng lên cổ khuỷu tính được bằng phần mềm ADAMS/Engine 49

3.4.2 Lực tác dụng lên cổ khuỷu tính được bằng lý thuyết 50

3.4.3 So sánh lực tổng tác dụng lên cổ khuỷu tính bằng ADAMS và MATLAB 52

3.5 XÁC ĐỊNH TRƯỜNG ỨNG SUẤT TRỤC KHUỶU ĐỘNG CƠ D12 53

3.5.1 Chọn mô hình tính toán trục khuỷu 53

3.5.2 Trình tự tính 53

3.6 KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH TRƯỜNG ỨNG SUẤT 56

3.6.1 Kết quả tính ứng suất ở số vòng quay 2000 vòng/phút 56

3.6.2 Kết quả tính trường ứng suất ở tốc độ quay 2200 vòng/phút 57

3.6.3 Kết quả tính trường ứng suất ở tốc độ 2400 vòng/phút 58

3.7 THẢO LUẬN: Chương 4 61

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 61

4.1 KẾT LUẬN 61

4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 61 PHỤ LỤC

Trang 5

LỜI NÓI ĐẦU

Trục khuỷu là một trong những chi tiết quan trọng, chịu tải nặng nề chế tạo khó khăn nhất trong các chi tiết của động cơ, nó có hình học phức tạp và làm việc trong điều kiện chịu tác động của các loại tải động trong suốt quá trình khai thác động cơ Trong quá trình làm việc trục khuỷu chịu tác dụng của rất nhiều loại lực trong đó có hai loại lực chủ yếu là lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay, lực khí thể sinh ra trong quá trình cháy các loại lực này gây ra mô

men xoắn và uốn lớn làm hư hỏng trục khuỷu động cơ Với đề tài “ Nghiên cứu xác định trường ứng suất trong trục khuỷu động cơ bằng phương pháp phần tử hữu hạn’’, chúng tôi mong muốn xác định trường ứng suất trong trục khuỷu động cơ làm

cơ sở cho việc đánh giá độ bền nhằm góp phần nâng cao độ tin cậy của trục khuỷu trong quá trình sử dụng và khai thác động cơ

Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ của phần mềm ANSYS, ADAMS chúng tôi đã xác định trường ứng suất trong trục khuỷu động cơ 4 kỳ D12 (loại 195S) Do thời gian có hạn đề tài tính trường ứng suất trong trường hợp trục chịu tổng lực uốn và xoắn là lớn nhất ở một số tốc độ quay khác nhau

Luận văn gồm có 4 chương được cấu trúc như sau :

Chương 1: Giới thiệu vật liệu và công nghệ chế tạo trục khuỷu, điều kiện làm việc và các dạng hỏng của trục khuỷu, mục tiêu nghiên cứu, phương pháp giải quyết vấn đề

Chương 2: Trình bày phương pháp xác định lực khí thể, phương pháp giải tích véc tơ xác định lực tác dụng lên trục khuỷu, phương pháp phân tích kết cấu trục khuỷu theo phương pháp phần tử hữu hạn

Chương 3: Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn tính trường ứng suất tác dụng lên trục khuỷu động cơ D12 (loại 195S) với sự hỗ trợ của phần mềm ANSYS

Chương 4: Kết luận: Rút ra từ kết quả nghiên cứu của đề tài đồng thời đưa ra các kiến nghị và hướng phát triển của đề tài

Qua đây tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu, Ban Chủ nhiệm khoa Kỹ thuật Giao thông, Trường Đại học Nha Trang đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường

Trang 6

Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến TS Quách Hoài Nam đã tận tình hướng dẫn, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của: Quí thầy cô giáo trong khoa Kỹ thuật Giao thông, Trường Đại học Nha Trang, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp luôn động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện đề tài

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Nha Trang, ngày ……tháng ……năm 2012

Học Viên

Nguyễn Bá Hữu

Trang 7

DANH MỤC KÝ HIỆU

1 a p Gia tốc của piston

2

x

a Gia tốc của piston theo phương X

3 a rx Gia tốc của trọng tâm thanh truyền theo phương X

4 a ry Gia tốc của trọng tâm thanh truyền theo phương Y

5 d Đường kính cổ chính trục khuỷu

6 d ck Đường kính cổ trục khuỷu

7 d1 Đường kính đầu lớn thanh truyền

9 d c Đường kính lỗ chốt piston

10 D Đường kính piston

11 F Lực tác dụng lên cổ khuỷu (Tổng hình học của lực F xvà F y)

12 F ax Lực tác dụng lên cổ khuỷu theo phương X

13 F ay Lực tác dụng lên cổ khuỷu theo phương Y

14 F px Tổng lực tác dụng lên chốt piston theo phương X

15 F x Lực tác dụng theo chu kỳ lên cổ khuỷu theo phương X

16 F y Lực tác dụng theo chu kỳ lên cổ khuỷu theo phương Y

17 I xx Mô men quán tính theo phương X của trọng tâm thanh truyền

18 I yy Mô men quán tính theo phương Y của trọng tâm thanh truyền

19 I zz Mô men quán tính theo phương Z của trọng tâm thanh truyền

20 I xy Mô men quán tính đối với mặt XY của trọng tâm thanh truyền

21 I yz Mô men quán tính đối với mặt YZ của trọng tâm thanh truyền

22 I xz Mô men quán tính đối với mặt XZ của trọng tâm thanh truyền

23 L1 Bán kính tay quay trục khuỷu

24 L2 Chiều dài thanh truyền

25 L g khoảng cách từ trọng tâm đến đầu lớn thanh truyền

26 l p Chiều cao piston

27 m p Khối lượng cụm piston

28 m r Khối lượng thanh truyền

29 n Tốc độ quay định mức

30 N e Công suất động cơ

31 n1 Chỉ số nén đa biến trung bình

32 n2 Chỉ số giãn nở đa biến trung bình

33 P Áp suất khí trời

Trang 8

34 P z Áp suất cháy cực đại

35 P kt Áp suất khí thể tác dụng lên đỉnh piston

36 ∆P o Tổn thất áp suất trên đường ống nạp

37 P K Áp suất không khí trước cửa cửa nạp

38 P c Áp suất cuối quá trình nén

39 P a Áp suất cuối quá trình nạp

40 P b Áp suất cuối quá trình giãn nở

41 P r Áp suất cuối quá trình thải

42 r g Vị trí trọng tâm thanh truyền

43 r gx Vị trí trọng tâm thanh truyền theo phương X

44 r gy Vị trí trọng tâm thanh truyền theo phương Y

45 r px Vị trí chốt piston so với trục X

46 r py Vị trí chốt piston so với trục Y

47 R P Bán kính piston

48 V g Vận tốc của trọng tâm thanh truyền

49 V gx Vận tốc của trọng tâm thanh truyền theo phương X

50 V gy Vận tốc của trọng tâm thanh truyền theo phương Y

51 V px Vận tốc của piston theo phương X

52 α 1 Gia tốc góc của trục khuỷu

53 α 2 Gia tốc góc của thanh truyền

54

xs

α Góc xu páp xả mở sớm

55 β Góc quay thanh truyền

56 β Z Hệ số thay đổi mol tại điểm Z

65 ψ( )z Hệ số tổn thất hành trình do trao đổi khí khi piston tại điểm z(vị trí Pz)

66 δ Hệ số tổn thất hành trình theo góc quay trục khuỷu

67 ρ Tỉ số giãn nở khi cháy

Trang 9

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng giá trị áp suất trên đường cong nén 14

Bảng 2.2 Bảng giá trị áp suất trên đường cong giãn nở 14

Bảng 2.3: Các kiểu phần tử kết cấu thông dụng [1] 23

Bảng 2.4: Các thông số đầu vào của phần tử Solid 186 24

Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật của động cơ D12 27

Bảng 3.2: Các thông số động lực học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền 28

tính bằng ADAMS/Engine 28

Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật được chọn thêm [2] 44

Bảng 3.4: Áp suất trên đường cong nén (N/mm2) [3] 47

Bảng 3.5: Áp suất trên đường cong giãn nở (N/mm2) [3] 47

Bảng PL2.1: Lực tác dụng trên cổ khuỷu ở tốc độ 2000 vòng/phút 6

Trang 10

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Mô hình nghiên cứu trục khuỷu động cơ V8 (Jenson, 1970) 7

Hình 1.2 Vị trí gắn thiết bị đo tải uốn và xoắn trên các phần quan trọng của trục khuỷu (Jenson, 1970) 7

Hình 1.3 Đồ thị tải tác dụng lên trục khuỷu (Jenson, 1970) 8

Hình 1.4 Mô hình phần tử hữu hạn trên trục khuỷu - bánh đà trong phân tích (Moure latos, 1995) 9

Hình 1.5 Mô hình phần tử hữu hạn trục khuỷu trong phân tích 3D của Henry (1992) 9

Hình 1.6 Mô hình phần tử hữu hạn trong phân tích trục khuỷu Chien (2005) 10

Hình 1.7 Mô hình khối phần tử hữu hạn (SFEM) và mô hình thanh - khối lượng phần tử hữu hạn (BMM) của trục khuỷu động cơ diesel một dãy 6 xylanh (Lê Trung Dũng, 1999) 11

Hình 2.1 Các thông số cơ cấu trục khuỷu thanh truyền 15

Hình 2.2: Mô hình tính kết cấu trục khuỷu 19

Hình 2.3: Tải phân bố trên cổ khuỷu 21

Hình 2.4: Phần tử solid 186 23

Hình 3.1: Mô hình cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền động cơ D12 trong ADAMS 28

Hình 3.2: Vận tốc dài thanh truyền theo phương X ở tốc độ quay 2000 vòng/phút tính bằng ADAMS/Engine 29

Hình 3.5: Gia tốc dài thanh truyền theo phương X ở tốc độ quay 2000 vòng/phút tính bằng ADAMS/Engine 30

Trang 11

Hình 3.8: Vận tốc của piston ở tốc độ quay 2000 vòng/phút tính bằng

ADAMS/Engine 31

Hình 3.9: Vận tốc của piston ở tốc độ quay 2200 vòng/phút tính bằng ADAMS/Engine 31

Hình 3.10: Vận tốc của piston ở tốc độ quay 2400 vòng/phút tính bằng ADAMS/Engine 32

Hình 3.11: Gia tốc của piston ở tốc độ quay 2000 vòng/phút tính bằng ADAMS/Engine 32

Hình 3.14: Lực tác dụng lên cổ khuỷu theo phương X ở tốc độ quay 2400 vòng/phút tính bằng ADAMS/Engine 33

Hình 3.15: Lực tác dụng lên cổ khuỷu theo phương Y ở tốc độ quay 2400 vòng/phút tính bằng ADAMS/Engine 33

Hình 3.16: Vận tốc dài thanh truyền theo phương X ở tốc độ quay 2000 vòng/phút tính bằng phương pháp giải tích véc tơ 34

Hình 3.19: Gia tốc dài thanh truyền theo phương X ở tốc độ quay 2000 vòng/phút tính bằng phương pháp giải tích véc tơ 35

Hình 3.22: Vận tốc piston ở tốc độ quay 2000 vòng/phút tính 36

bằng phương pháp giải tích véc tơ 36

Trang 12

Hình 3.25: Gia tốc piston ở tốc độ quay 2000 vòng/phút tính 37

Hình 3.28: Lực tác dụng lên cổ khuỷu theo phương X ở tốc độ quay 2400 vòng/phút tính bằng phương pháp giải tích véc tơ 38

Hình 3.29: Lực tác dụng lên cổ khuỷu theo phương Y ở tốc độ quay 2400 vòng/phút tính bằng phương pháp giải tích véc tơ 38

Hình 3.30: So sánh vận tốc dài thanh truyền ở tốc độ quay 2000 vòng/phút 39

Hình 3.33: So sánh gia tốc dài của thanh truyền ở tốc độ quay 2000 vòng/phút 40

Hình 3.36: So sánh vận tốc của piston ở tốc độ quay 2000 vòng/phút 41

Hình 3.39: So sánh gia tốc của piston ở tốc độ quay 2000 vòng/phút 42

Hình 3.42: So sánh lực tác dụng lên cổ khuỷu theo phương X ở tốc độ quay 2400 vòng/phút 43

Hình 3.43: So sánh lực tác dụng lên cổ khuỷu theo phương Y ở tốc độ quay 2400 vòng/phút 43

Hình 3.44: Các thông số động cơ D12 được nhập vào phần mềm ADAMS/Engine 45

Hình 3.45: Đồ thị công khai triển P – θθθθ ở tốc độ 2000 vòng/ phút 46

Hình 3.46: Đồ thị công P - θθθθ xây dựng theo lý thuyết 48

Hình 3.47: So sánh áp suất khí thể tính theo ADAMS và theo lý thuyết 48

Hình 3.48: Các lực tác dụng lên cổ khuỷu 49

Trang 13

Hình 3.49: Lực ở tốc độ quay 2000 vòng/phút tính được bằng ADAMS/Engine 49

Hình 3.52: Lực tác dụng lên cổ khuỷu ở tốc độ quay 2000 vòng/phút tính bằng MATLAB 50

Hình 3.55: So sánh lực tác dụng lên cổ khuỷu ở số vòng quay 2000 vòng/phút theo ADAMS và MATLAB 52

Hình 3.58: Mô hình hình học và mô hình phần tử hữu hạn trong ANSYS 54

Hình 3.59: Chọn kích thước phần tử trong chia lưới 54

Hình 3.60: Mô hình phần tử hữu hạn trục khuỷu động cơ D12 54

Hình 3.61: Áp đặt điều kiện biên 55

Hình 3.62: Áp đặt điều kiện biên và tải 56

Hình 3.63: Trường ứng suất tương đương von Mises ở tốc độ quay 2000 vòng/phút 56

Hình 3.64: Chuyển vị tổng (mm) ở tốc độ quay 2000 vòng/phút 57

Hình 3.65: Biến dạng theo phương X ở tốc độ quay 2000 vòng/phút 57

Trang 14

MỞ ĐẦU

Trục khuỷu là một trong những chi tiết quan trọng, chịu tải nặng nề, chế tạo khó khăn nhất trong các chi tiết của động cơ Nó có hình học phức tạp và làm việc trong điều kiện chịu tác động của các loại tải động trong suốt quá trình khai thác động cơ Trục khuỷu chịu tác dụng của áp lực khí thể sinh ra trong quá trình cháy, các lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay Các lực này gây ra mô men xoắn và uốn lớn, thay đổi cả về trị số lẫn về chiều Sự biến thiên có chu

kỳ của các mô men quay không những chỉ gây ra các dao động xoắn và dao động dọc trục, mà trong những điều kiện nhất định chẳng hạn như cộng hưởng, những dao động này có thể dẫn đến những ứng suất phụ rất lớn trong trục, làm gãy trục

Do tác dụng của những lực và mômen nêu trên nên trục khuỷu luôn làm việc trong điều kiện chịu ứng suất mỏi là chủ yếu Hình dáng phức tạp của trục khuỷu cũng tạo nên ứng suất tập trung tại một số vùng trên trục như chỗ chuyển tiếp giữa các đoạn trục, các miệng của lỗ dẫn dầu bôi trơn, ở các cổ trục dập …

Điều kiện làm việc của ổ trục khuỷu phụ thuộc rất nhiều yếu tố, những yếu tố chính là giá trị và tính chất của áp lực riêng trên cổ trục, độ cứng của trục và các ổ đỡ, việc lựa chọn các loại vật liệu giảm ma sát và dầu bôi trơn, chất lượng công nghệ chế tạo và lắp ghép trục

Do xu hướng tăng cường độ làm việc của động cơ, như tăng tốc độ quay, tăng áp

và sử dụng các biện pháp khác nhằm nâng cao công suất, làm cho áp lực riêng trên ổ trục cũng như ứng suất trong trục khuỷu tăng lên Điều này dẫn đến việc tăng hao mòn của ổ và giảm tính tin cậy khi làm việc của trục Vì vậy trục khuỷu luôn phải đảm bảo yêu cầu về độ tin cậy của trục trong những điều kiện làm việc khác nhau, đảm bảo độ bền, độ cứng và tính chống mòn, bảo đảm thời hạn sử dụng cần thiết của trục ứng với từng loại động cơ, trục phải luôn cân bằng động lực học tốt nhất và không gây ra rung động, không có vùng dao động xoắn bị cấm trong khoảng tốc độ làm việc của động cơ Các kích thước chính của khuỷu trục phụ thuộc vào bán kính tay quay, đường kính các

cổ, các kích thước chính của khuỷu trục cần đảm bảo độ bền và độ cứng cần thiết, phải bảo đảm cho áp lực riêng tác dụng lên cổ chính và cổ khuỷu nằm trong giới hạn cho phép Ở động cơ nhiều xy-lanh vị trí tương đối giữa các khuỷu phụ thuộc chủ yếu vào

số kỳ và số xy-lanh của động cơ, việc chọn phương án bố trí các khuỷu trục có lợi nhất

Trang 15

làm cho động cơ cân bằng nhất, phân bố tải trọng theo chiều dài là đều nhất, ngoài ra việc bố trí các khuỷu trục còn nhằm làm giảm các ứng suất phụ do dao động xoắn gây

ra đến mức nhỏ nhất

Vì vậy việc xác định một cách chính xác ứng suất trong trục khuỷu là rất cần thiết làm cơ sở cho việc đánh giá độ bền mỏi và tối ưu hóa kết cấu trục khuỷu góp phần nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ của trục khuỷu nói riêng và động cơ nói chung, đảm bảo an toàn khi khai thác động cơ

Trang 16

1

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO TRỤC KHUỶU

50, dùng để chế tạo trục khuỷu của động cơ tàu thủy và tĩnh tại, các loại thép 40XH, 20XMA, thường dùng để chế tạo trục khuỷu động cơ tàu thủy và tĩnh tại tốc độ cao, trục khuỷu của động cơ ô tô máy kéo thường chế tạo bằng các loại thép 40, 45, 50Γ, 40X, trục khuỷu của động cơ tốc độ cao thường cường hóa, yêu cầu trọng lượng nhỏ gọn, ngoài các loại thép hợp kim kể trên ra còn thường dùng các loại thép hợp kim qúy như các loại thép 30XMA, 40XH, 18XBHA, 50XHMA, ở châu Âu trục khuỷu của động cơ đốt trong thường được chế tạo bằng hợp kim crom-niken, còn ở châu Mỹ thường dùng thép các-bon Thép các-bon thường dùng rất nhiều vì nó có các ưu điểm sau:

- Hệ số ma sát trong của thép các-bon lớn hơn của thép hợp kim, biên độ dao động xoắn nhỏ hơn nên ứng suất xoắn cũng nhỏ

- Thép các-bon rẻ tiền hơn thép hợp kim nhiều nên giá thành của trục khuỷu hạ Ngoài thép ra ngày nay người ta còn dùng gang graphit cầu để đúc trục khuỷu

Trục khuỷu thường được chế tạo một trong ba cách: rèn, dập và đúc, đối với các động cơ cỡ lớn thông thường được chế tạo bằng phương pháp rèn tự do sau đó cắt rời thành từng khuỷu và gia công cơ khí, đối với phương pháp đúc thép thường dùng để chế tạo các má khuỷu ghép cỡ lớn và các khuỷu loại nhỏ đúc liền Ngày nay người ta dùng phổ biến đúc các trục khuỷu bằng gang cho các động cơ công suất nhỏ và trung bình Trục khuỷu của các động cơ có tốc độ quay chậm và vừa, thường được chế tạo bằng thép các bon chất lượng cao, còn đối với động cơ có tốc độ quay nhanh thường được chế tạo bằng thép hợp kim Thép các bon là vật liệu thường được dùng nhiều vì

Trang 17

chúng rẻ tiền, nhiệt luyện đơn giản và có độ dẻo cao, trong chế tạo người ta thường dùng các loại thép các bon có chất lượng cao sau đây để chế tạo trục khuỷu: thép 30,

40, 45, 50, 35Γ, 45Γ, 50Γ Thép hợp kim có độ bền cao, có thể được nhiệt luyện thành các thép có cấu trúc đặc biệt sau khi tôi và ram non, hoặc tôi và ram già Các loại thép crommangan vonphram loại mactenxit thường được hợp kim hóa thêm: thép 15XHT2BA được pha thêm Niken, thép 15X2T2CBA được pha thêm Silic sau khi được tôi và ram non

Mặc dù có nhiều loại thép khác nhau với công dụng khác nhau nhưng trục khuỷu chế tạo từ các loại thép khác nhau vẫn có thể có tính chất cơ học giống nhau Vì vậy trong khi chế tạo động cơ người ta không qui định loại vật liệu chế tạo trục khuỷu mà chỉ qui định độ bền, tiêu chuẩn độ bền cần thiết, qui định toàn bộ đặc tính các tính chất

cơ học của vật liệu, xác định theo giới hạn chảy Dựa trên các tiêu chuẩn độ bền do nhà máy luyện kim qui định, tùy theo các kích thước của trục và tiết diện của phôi rèn người ta chọn loại thép thích hợp Trong thời gian gần đây các loại trục khuỷu thường được đúc bằng gang graphit cầu, ta có được các sản phẩm đúc bằng gang graphit cầu bằng cách thấm vào gang nấu chảy các phụ chất của magiê hay các chất pha đặc biệt khác, so với thép việc sử dụng gang graphit cầu để chế tạo trục khuỷu mang lại rất nhiều ưu điểm:

- Giảm được giá thành chế tạo do chi phí về vật liệu giảm và thời gian gia công cũng giảm đáng kể

- Có khả năng sử dụng được những hình dáng kết cấu hợp lý nhất của trục khuỷu, cho phép giảm tập trung ứng suất và tăng độ bền của trục khuỷu

- Nâng cao tính chống mòn của cổ trục nhờ trong gang có pha graphit và khả năng bôi trơn bằng dầu của bề mặt cổ trục được tốt hơn

- Nâng cao tính tin cậy của trục khuỷu nhờ gang có độ dai khi chịu tải trọng có chu kỳ tương đối cao và độ nhạy cảm đối với tập trung ứng suất nhỏ hơn thép

- Khả năng gia công tốt với độ cứng HB ≤ 265

Bên cạnh những ưu điểm trên trục khuỷu đúc bằng gang cũng có nhược điểm:

- Tính cơ học thấp hơn thép rèn

- Khó phát hiện được những khuyết tật trong lòng phôi đúc

Trang 18

3

1.1.2 Công nghệ chế tạo

Độ bền của trục khuỷu không chỉ phụ thuộc vào vật liệu chế tạo mà nó phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ chế tạo ra nó Có thể nâng cao độ bền trục khuỷu chủ yếu là nâng cao độ bền mỏi bằng cách sử dụng các biện pháp kết cấu và dùng các loại công nghệ khác nhau Các biện pháp kết cấu để nâng cao độ bền trục khuỷu xuất phát

từ quan điểm sử dụng vật liệu có hiệu quả nhất, phân bố ứng suất đều nhất trong toàn

bộ thể tích của chi tiết và giảm tập trung ứng suất ở những tiết diện nguy hiểm của trục bằng cách lựa chọn cho các phần tử của trục có hình dáng kết cấu có lợi nhất Ngoài các phương pháp trên, để nâng cao tính tin cậy và độ bền lâu của trục khuỷu người ta thường dùng nhiều biện pháp công nghệ khác như: phương pháp làm bền bề mặt cho phép nâng cao rất rõ rệt độ bền mỏi của trục Những phương pháp chủ yếu để làm bền

bề mặt trục khuỷu

- Gia công nhiệt hóa

- Tôi bề mặt bằng dòng điện cao tần

- Biến cứng các lớp bề mặt

Ngoài ra còn có thể phối hợp với các phương pháp trên, khi sử dụng những phương pháp trên, ngoài việc các lớp kim loại bề mặt được làm bền, trong lòng chi tiết còn hình thành những ứng suất dư, thường là ứng suất nén làm cho độ bền lâu và giới hạn bền mỏi của các chi tiết được nâng lên hai đến ba lần Thấm nitơ là một trong những hình thức làm bền bề mặt có hiệu quả nhất Việc ứng dụng phương pháp thấm nitơ, mạ crôm và các phương pháp hóa nhiệt khác để gia công các lớp bề mặt của trục khuỷu bằng gang cũng như bằng thép làm tăng độ bền mỏi và khả năng chống mòn của trục tốt hơn

Trên thế giới hiện nay người ta thường dùng các nguyên công chính sau để gia công trục khuỷu: Phôi - Ủ hoàn toàn – Dập nóng – Thường hóa – Gia công cắt gọt – Tôi và ram – Gia công tinh – Tôi bề mặt các cổ trục – Ram thấp – Mài rà – Đóng gói

Các biện pháp xử lý nhiệt trước và sau gia công cơ khí: Nhiệt luyện là quá trình công nghệ bao gồm việc nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội vật phẩm kim loại với mục

đích thay đổi tổ chức (cấu trúc) và tính chất của chúng sau nhiệt luyện vật phẩm kim

loại có:

- Cơ tính: Nhiệt luyện làm thay đổi rõ rệt cơ tính của kim loại và hợp kim, qua nhiệt luyện thích hợp, độ bền và độ cứng của kim loại và hợp kim có thể tăng lên từ

Trang 19

ba cho đến sáu lần

- Tính công nghệ: Việc áp dụng các nguyên công nhiệt luyện sơ bộ trước khi gia công làm cho kim loại và hợp kim có độ mềm dẻo cao, thuận tiện cho gia công cơ khí, cải thiện đáng kể công nghệ của vật liệu

- Tính chất lý hóa đặc biệt: Nhờ có nhiệt luyện mà hợp kim có thể phát huy được những tính chất lý hóa đặc biệt mà ở điều kiện bình thường không thể có được

Công nghệ nhiệt luyện được chia thành: Nhiệt luyện sơ bộ và nhiệt luyện kết thúc Nhiệt luyện sơ bộ là công nghệ được thực hiện trước công đoạn gia công cơ khí nhằm tạo cho vật liệu có cơ tính phù hợp với chế độ gia công, nó bao gồm ủ và thường hóa Nhiệt luyện kết thúc (hay còn gọi là nhiệt luyện hóa bền) là công nghệ cuối cùng

áp dụng cho mỗi chi tiết nhằm nâng cao độ cứng, độ bền, nó gồm có tôi và ram Đối với chi tiết trục khuỷu sau khi gia công cơ khí có hai nguyên công được sử dụng để hóa bền chi tiết đó là tôi + ram cao và tôi cao tần + ram thấp Sở dĩ phải thực hiện thành hai bước vì trục khuỷu là chi tiết làm việc rất khắc nghiệt: chịu mô men xoắn,

mô men uốn lớn, chịu lực tập trung lớn và đổi chiều, chịu va đập mạnh, chịu ma sát, chịu mài mòn Nên trục khuỷu yêu cầu lõi phải dẻo dai, bề mặt cứng khi tôi + ram cao

sẽ cho tổ chức hoàn toàn xoocbit ram Đây là tổ chức tương đối mềm độ cứng khoảng

25 HRC, độ bền giảm đi chút ít nhưng lại đạt được sự kết hợp tốt nhất của các chỉ tiêu

cơ tính: Độ bền, độ dẻo, độ dai Đây là tổ chức rất phù hợp để làm lõi của chi tiết Để

bề mặt có độ thấm tôi sâu 2,5 ÷ 4,5 mm mà không làm biến đổi tổ chức của lõi ta cần phải tôi cao tần với nguồn điện có tần số trong khoảng 2500 ÷ 8000 HZ Khi tôi cao tần + ram thấp sẽ cho tổ chức mactenxit ram Đây là tổ chức có độ cứng rất cao khoảng 56 ÷ 58 HRC, đồng thời ứng suất sau khi tôi được giảm đi đáng kể do có tính dẻo dai tốt hơn, khó bị phá hủy giòn hơn Nếu vì lý do nào đó cần thay thế, vật liệu khác C45 ta có thể sử dụng thép 40X vì chúng có cơ tính cũng như các chế độ nhiệt luyện tương tự nhau

1.2 ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC VÀ CÁC DẠNG HỎNG CỦA TRỤC KHUỶU 1.2.1 Điều kiện làm việc

Điều kiện làm việc của trục khuỷu phụ thuộc rất nhiều yếu tố, những nhân tố chính là giá trị và tính chất của áp lực riêng trên cổ trục, độ cứng của trục và các ổ đặt, việc lựa chọn các loại vật liệu giảm ma sát và dầu bôi trơn, chất lượng công nghệ, chế tạo và lắp ghép trục.Việc tăng cường độ làm việc do tăng tốc độ quay, tăng áp và các

Trang 20

5 biện pháp khác, áp lực riêng trên ổ trục cũng như ứng suất trong trục khuỷu tăng lên điều đó dẫn đến việc tăng hao mòn lên cổ và giảm tính tin cậy làm việc của trục trong

sử dụng Vì vậy để trục khuỷu hoạt động tốt khi chế tạo trục khuỷu cần phải đảm bảo:

- Tính tin cậy của trục trong những điều kiện làm việc cụ thể

- Độ bền, độ cứng và tính chống mòn của trục

- Thời hạn sử dụng cần thiết của trục ứng với từng loại động cơ

- Trục phải được cân bằng động trước khi đưa vào sử dụng

- Độ chính xác khi chế tạo, đảm bảo chất lượng vật liệu, nhiệt luyện

Trục khuỷu là thành phần chính trong động cơ đốt trong, nó có hình học rất phức tạp, những bề mặt chuyển đổi hay những góc lượn thường chịu ứng suất tập trung trong suốt quá trình hoạt động Trục chịu tải trọng uốn và xoắn có chu kỳ vì vậy ở những vị trí góc lượn chịu ảnh hưởng của ứng suất mỏi là chủ yếu trong suốt quá trình hoạt động của động cơ, kết quả những vị trí này thường bị phá hủy Kích cỡ của trục khuỷu phụ thuộc vào số xy-lanh của động cơ và công suất của động cơ, kích cỡ dao động trong phạm vi 3,2 kg và công suất 12 hp cho động cơ một xy-lanh đến 300 tấn cho động cơ diesel bốn xy-lanh với công suất 108,920 hp [9]

Trong động cơ đốt trong có hai nguồn tải cung cấp lực đến trục khuỷu, tải sinh ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu trong buồng đốt truyền đến trục khuỷu trong bốn hành trình của piston đây là nguồn tải chính tác dụng lên trục khuỷu, lực quán tính sinh ra trong quá trình hoạt động là nguồn tải gây ra uốn và xoắn tác dụng lên trục khuỷu Nguyên nhân gây phá hủy trục khuỷu có ba loại chính sau:

- Dầu bôi trơn ở các-te thiếu dẫn đến dầu bôi trơn trên cổ trục không đủ, làm cho nhiệt độ dầu bôi trơn tăng cao dễ sinh ra ma sát lớn gây hư hỏng trục khuỷu

- Do chế tạo chi tiết không đúng, lắp đặt sai, các khe hở không đúng giữa cổ trục

và bạc lót

- Hư hỏng do sửa chữa không đúng gây ra tiếng kêu khi hoạt động, các cổ trục không nằm trên đường thẳng do đó nó gây ra ứng suất tập trung cao

1.2.2 Các dạng hỏng của trục khuỷu

a) Hư hỏng trục khuỷu có quy luật

Trong quá trình làm việc trục khuỷu hư hỏng tùy thuộc vào từng loại động cơ Ở động cơ một xy-lanh lượng hao mòn cổ chính bằng một nửa hao mòn cổ biên, ở động

cơ nhiều xy-lanh cổ trục giữa thường mòn nhiều hơn các cổ biên, ở vị trí tiếp xúc với

Trang 21

bạc nếu có hạt mài thì hạt mài đọng lại gây ra mòn ở giữa nhiều hơn, hao mòn nhiều hay ít phụ thuộc chủ yếu vào tác dụng có chu kỳ của áp lực khí thể và thời gian làm việc nhiều hay ít của động cơ Hao mòn ở động cơ xăng và diesel khác nhau do đồ thị phụ tải hai loại động cơ này khác nhau

b) Hư hỏng trục khuỷu không có quy luật

Hư hỏng không bình thường do các dạng kết cấu đặc biệt của trục khuỷu Do thanh truyền chế tạo lệch tâm nên lực phân bố không đều dẫn đến mòn không đều, vị trí lỗ khoan dầu cũng ảnh hưởng đến quá trình mòn của trục

c) Hư hỏng trục khuỷu do mỏi

Trục khuỷu là bộ phận có cấu tạo phức tạp và chịu tác dụng của các loại tải động theo chu kỳ nên lâu ngày rất dễ hình thành các vết nứt tế vi ở những nơi tập trung ứng suất lớn, như vị trí các góc lượn, cạnh các lỗ dẫn dầu, các vết nứt tế vi dần dần phát triển lớn lên đến một lúc nào đó sẽ làm gãy trục Trong quá trình sửa chữa không đúng, không có góc lượn hoặc góc lượn không đúng, do lắp ráp các cổ trục không đồng tâm gây ra tải trọng phụ trong quá trình hoạt động của trục khuỷu, ngoài các nguyên nhân cơ bản trên nếu chúng ta vận hành động cơ không tốt như thường xuyên tăng tải đột ngột, ép động cơ luôn làm việc thường xuyên quá tải đó cũng là những nguyên nhân dẫn đến hư hỏng trục khuỷu

1.3 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.3.1 Trên thế giới [9]

Trên thế giới đã có các công trình và tác giả nghiên cứu xác định tải và ứng suất tác động đến trục khuỷu của động cơ Jenson (1970) đã làm thực nghiệm xác định tải tác động lên trục khuỷu của động cơ V8 Việc xác định tải trong nghiên cứu này bắt đầu với việc lựa chọn các phần của trục khuỷu để nghiên cứu, các phần quan trọng được biểu diễn trên hình 1.1

Trang 22

7

Hình 1.1 Mô hình nghiên cứu trục khuỷu động cơ V8 (Jenson, 1970)

Để đo tải uốn và xoắn trên các phần quan trọng của trục khuỷu, một thiết bị đo tải uốn và xoắn được gắn lên trục khuỷu

Hình 1.2 Vị trí gắn thiết bị đo tải uốn và xoắn trên các phần quan trọng của trục khuỷu

(Jenson, 1970)

Kết quả thu được tải uốn và xoắn ở các tốc độ khác nhau, các góc quay khác nhau trên trục khuỷu

Trang 23

Hình 1.3 Đồ thị tải tác dụng lên trục khuỷu (Jenson, 1970) Henry và cộng sự (1992) đã thực hiện phân tích động lực học trong mô hình phần

tử hữu hạn, nghiên cứu lực ly tâm và phân tích tải động xoắn, trong nghiên cứu này nội lực được tính toán bằng giả thuyết khối lượng là một hằng số trong phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn vì vậy ở nhiều tốc độ động cơ kết quả chuyển vị được tính toán chỉ một lần, nghiên cứu lực khí thể và lực quán tính tác động lên cổ khuỷu kết quả thu được tải tác động lên cổ khuỷu Mourelatos (1995) đã xác định dao động uốn trên động cơ V6 có tính đến bánh đà động cơ, tác giả thực hiện trên mô hình CRANKSYM trong nghiên cứu này tính toán ứng suất theo chu kỳ trong một chu trình hoàn chỉnh của động cơ, trong nghiên cứu này dựa trên phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Trang 24

9

Hình 1.4 Mô hình phần tử hữu hạn trên trục khuỷu - bánh đà trong phân tích (Moure

latos, 1995) Uchida và Hara (1984) dùng phần tử hữu hạn để nghiên cứu động cơ V6 0

60 đã thu được ứng suất ở các góc lượn từ đó thiết kế để giảm chiều dài bán kính má khuỷu

và giảm độ dày má khuỷu giữa cổ chính và cổ khuỷu Henry và cộng sự (1992) đã nghiên cứu độ bền và tính toán độ bền mỏi của trục khuỷu phân tích trên mô hình 3D

Hình 1.5 Mô hình phần tử hữu hạn trục khuỷu trong phân tích 3D của Henry (1992) Guagliano (1993) tính toán hệ số ứng suất tập trung trong trục khuỷu động cơ diesel, kiểm tra thực nghiệm ứng suất tập trung ở những vị trí góc lượn, tính toán trên

mô hình 3D được thực hiện theo đặc tính đàn hồi tuyến tính của vật liệu và các điều kiện tải khác nhau, tính toán cho kết quả tương đối chính xác giữa tính toán theo lý

Trang 25

thuyết và thực nghiệm Chien và cộng sự (2005) ghiên cứu ảnh hưởng của ứng suất dư đến độ bền mỏi của trục khuỷu, sự tập trung ứng suất gần góc lượn được phân tích bằng phần tử hữu hạn dùng mô hình 2D trong phần mềm ABAQUS

Hình 1.6 Mô hình phần tử hữu hạn trong phân tích trục khuỷu Chien (2005)

1.3.2 Trong nước

Trong nước có công trình nghiên cứu của tác giả Lê Trung Dũng (1999) đề cập đến phương pháp nghiên cứu động lực học của thanh truyền động cơ đốt trong bằng phương pháp phần tử hữu hạn Mô hình tính toán dao động cưỡng bức cơ cấu trục khuỷu thanh truyền được thiết lập nhờ phần mềm ANSYS, trong nghiên cứu này tác giả đánh giá hiệu quả của các loại giảm chấn xoắn bằng cao su một và hai bậc tự do

Trang 26

11

Hình 1.7 Mô hình khối phần tử hữu hạn (SFEM) và mô hình thanh - khối lượng phần tử hữu hạn (BMM) của trục khuỷu động cơ diesel một dãy 6 xylanh (Lê Trung Dũng, 1999)

1.4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu tính toán các thông số động lực học, lực tác dụng lên trục khuỷu động cơ 4 kỳ một xy-lanh

Xác định trường ứng suất trong trục khuỷu động cơ dưới tác dụng của tải động bao gồm lực khí cháy trong buồng đốt và lực quán tính của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền – piston

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Từ các thông số kỹ thuật và kết cấu của động cơ 4 kỳ, sử dụng phần mềm ADAMS mô phỏng trên máy, tạo mô hình hình học để xác định các thông số động lực học của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền Tính toán lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston, xác định lực tác dụng lên cổ khuỷu Sau khi tính toán đầy đủ các thông số đầu vào, ta xây dựng mô hình tính trên cơ sở áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (sử dụng phần mềm ANSYS) để xác định trường ứng suất trên trục khuỷu

Trang 27

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Các loại lực tác dụng lên cổ khuỷu gồm: lực quán tính (do các khối lượng chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay), lực ma sát giữa cổ khuỷu và đầu lớn thanh truyền, lực khí thể và trọng lực

Do lực ma sát và các lực khác không đáng kể nên trong đề tài này ta chỉ xem xét hai lực chính là lực động (quán tính) và lực khí thể

2.1 XÁC ĐỊNH LỰC KHÍ THỂ

2.1.1 Chu trình nhiệt thực của động cơ bốn kỳ

Chu trình làm việc thực của động cơ biểu diễn quá trình thay đổi áp suất trong xy-lanh phụ thuộc vào thể tích môi chất công tác trong xy-lanh, nó là cơ sở cho việc xác định các thông số kỹ thuật chính trong động cơ

Chu trình làm việc thực của động cơ khác chu trình lý thuyết ở chỗ có sự thay đổi môi chất công tác sau mỗi chu trình làm việc do đó có sự tổn thất năng lượng do sự cản dòng chảy của khí nạp mới và của sản vật cháy ra ngoài không gian công tác, đồng thời trong chu trình làm việc luôn xảy ra sự trao đổi nhiệt giữa môi chất công tác với thành xy-lanh

Do chu trình làm việc thực của động cơ phức tạp hơn nhiều chu trình lý thuyết nên trong quá trình tính toán ta không đề cập hết các thông số ảnh hưởng đến quá trình nhiệt động lực học trong động cơ mà phải lược đi những thông số ảnh hưởng không đáng kể, cụ thể là:

- Trong quá trình nạp, ta xem áp suất của cả quá trình là không thay đổi và có giá trị bằng áp suất trung bình của hành trình nạp

- Quá trình nén cũng được xem như quá trình đa biến với chỉ số nén n1 không thay đổi

- Quá trình cháy trong động cơ là quá trình phức tạp nhất trong chu trình làm việc của động cơ

- Khi tính toán quá trình giãn nở ta cũng xem chỉ số giãn nở đa biến n2 không thay đổi [3]

Trang 28

Pk = P0 - ∆P o (2.2) Với: P o: áp suất khí trời

∆P o: tổn thất áp suất trên đường ống nạp

P K : Áp suất không khí trước cửa nạp

b) Quá trình nén

Áp suất cuối quá trình nén:

1

n a

Áp suất cuối quá trình giãn nở:

Trang 29

Bảng 2.1 Bảng giá trị áp suất trên đường cong nén

εθ

λ

θλ

θ

sin 1

1 cos

1

đh đh

εθ

Trang 30

( )z

ψ : hệ số tổn thất hành trình lớn nhất do trao đổi khí khi piston tại z (vị trí đạt pz)

Áp suất khí cháy theo góc quay trục khuỷu:

Hình 2.1 Các thông số cơ cấu trục khuỷu thanh truyền Theo phương pháp phân tích véc tơ, ta tính các thông số động lực học theo phương trình chuyển động theo góc quay trục khuỷu Góc quay trục khuỷu θ tỉ lệ thuận với thời gian, còn tất cả các đại lượng động học và động lực học là các hàm phụ thuộc vào biến số θ Các thông số động học và động lực học của trục khuỷu như: vận tốc góc, gia tốc góc lực và mô men ở những điểm trên trục khuỷu được xác định như sau: [9]

Vận tốc góc và gia tốc góc của trục khuỷu cho bởi công thức:

Trang 31

Liên hệ giữa góc trục khuỷu và góc thanh truyền:

2

1 sin( ) )

2

1 1 2

) cos(

L

ωβ

ω = (2.21)

Tính cos(β) từ phương trình (2.18) ta được:

2 2

2

1 sin( ) 1

2 2

1 2

1 1 2

) sin(

1

) cos(

L

L L

L

θ

θω

2 2

1 3 2

2 3

1 2 1

2 2

1 2

2 1 1

1

2

) sin(

1

) sin(

) cos(

) sin(

1

) sin(

) cos(

L

L L

L

L L

L

θ

θθ

ωθ

θωθα

2 2

1 1

)sin(

1)

cos(

L

L L

)sin(

L

L L L

θ −

= (2.28)

Trang 32

17 Vận tốc trọng tâm của thanh truyền theo phương X và Y thu được bằng cách vi

phân phương trình (2.27) và (2.28) theo thời gian t:

2 2

1 2

1 2 1 1

1

)sin(

12

)2sin(

)sin(

L

L L

L L L

θ

θω

1

)cos(

L

L L L

V gy g ω θ

θ

= (2.30)

Lấy vi phân phương trình (2.29) theo thời gian ta được gia tốc trọng tâm của

thanh truyền theo phương X:

2 1 2

2

2 2

1 2

2

2 2

1 2

1 2 1 2

2

2 2

1 2

2

2 2

1 2

2

2 1 1 2

1 1 1

1

) sin(

1 2

) 2 sin(

) sin(

1 ) 2 cos(

2 )

sin(

2 2

1

) sin(

1 2

) 2 sin(

) cos(

) sin(

2

L

L L

L

L L

L L L

L

a

g

g rx

θ

θθ

θω

θ

θα

θω

θα

(2.31) Lấy vi phân phương trình (2.30) ta được gia tốc của trọng tâm thanh truyền theo

phương Y:

2

1 1 2

1 1 1

1

)sin(

)cos(

)sin(

)cos(

L

L L L

L

θωθ

Vị trí của piston theo phương X tính theo phương trình:

) cos(

) cos( 2

2 2

1 2

1

) sin(

1 )

cos(

L

L L

L

(2.34) 0

1 2

1 2 1 1

1

) sin(

1 2

) 2 sin(

) sin(

L

L L

V px

θ

θω

−

= (2.36)

Trang 33

Vi phân phương trình (2.36) ta được gia tốc của piston:

2 1 2

2

2 2

1 2

2

2 2

1 2

1 2 1 2

2

2 2

1

2

2 2

1 2

2 1 1 2

1 1 1

1

) sin(

1 2

) 2 sin(

) sin(

1 ) 2 cos(

2 )

1 2

) 2 sin(

) cos(

) sin(

2

L

L L

L

a px

θ

θ θ

θ ω

θ

θ α

θ ω

θ α

(2.37) Tổng các lực tác dụng lên chốt piston theo phương X cho bởi phương trình:

kt p px p

F = +π 2 (2.38) Trong đó: mp = khối lượng của cụm piston,

2 1 2

2

2 2

1 2

2

2 2

1 2

1 2 1 2

2

2 2

1 2

2 1 1 2

1 1 1

1

) sin(

1 2

) 2 sin(

) sin(

1 ) 2 cos(

2 )

sin(

2

) sin(

1 2

) 2 sin(

) cos(

) sin(

2

L

L L

L m L

m L

m

F

p

kt P p

p p

px

θ

θθ

θω

θ

πθ

θα

θω

θα

(2.39) Lực tác dụng lên cổ khuỷu cho bởi phương trình:

px rx r

1

β

βα

(2.41) Trong đó:

zz

I = mô men quán tính thanh truyền,

mr = khối lượng thanh truyền

Lực tác dụng theo chu kỳ lên cổ khuỷu theo phương X (tải gây uốn) và Y (tải gây xoắn:

) sin(

) cos(θ ay θ

ax

F = + (2.42)

) sin(

) cos(θ F θ

F

F = − (2.43)

Trang 34

19

2.3 PHÂN TÍCH KẾT CẤU TRỤC KHUỶU THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN

TỬ HỮU HẠN

2.3.1 Mô hình phân tích

Trong phân tích này sử dụng mô hình kết cấu trục khuỷu dạng ba chiều (3D), tức

mô hình phân tích đồng thời là mô hình hình học thực tế của kết cấu được xem xét Áp

đặt điều kiện biên là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ chính xác của mô hình tính

Khi phân tích kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn, ta thường mô tả điều kiện

biên bằng các liên kết Do trục khuỷu quay tự do trên các ổ đỡ được liên kết cố định

trên thân động cơ, nên tại mỗi vị trí trục khuỷu tính toán, ta coi trục khuỷu đặt lên các

gối tự do tại vùng tiếp xúc giữa trục khuỷu và bạc ổ đỡ chính

Hình 2.2: Mô hình tính kết cấu trục khuỷu

Theo [10], tải phân bố trên bề mặt cổ khuỷu có dạng phương trình parabol và trên

một góc 1200 Phương trình phân bố tải trên cổ khuỷu:

c bx ax

P x = 2 + + (2.44)

Khi x= ±l, P x = 0, khi x= 0 , P x=P xmax phương trình trên có thể viết:

c bl

al + +

= 2

0 (2.45)

c bl

al − +

= 2

0 (2.46)

Áp lực tác dụng lên cổ khuỷu trên góc 1200

Góc tiếp xúc giữa cổ chính với bạc đỡ 1800

Trang 35

x P

ππ

cos

2 max ×

k P

x

P x (2.51) Tải đặt lên cổ khuỷu có thể tính theo phương trình:

max 3

3

2

2 max

9

162

3cos

l

x P

F x

Trong đó: P: Tải phân bố trên cổ khuỷu,

F: Lực tổng hợp,

R: Bán kính cổ khuỷu,

l : Chiều 1/2 dài cổ khuỷu,

α : Góc chịu tải của cổ khuỷu

Trang 36

21

Hình 2.3: Tải phân bố trên cổ khuỷu

Theo [9], áp suất tác dụng lên đầu lớn thanh truyền phân bố đều trên góc 1200, đây cũng chính là áp suất tác dụng lên cổ khuỷu vì trong quá trình làm việc thanh truyền và trục khuỷu tương tác lẫn nhau, tổng lực tác dụng được tính theo phương trình:

R P

F = ∫ × × =

−

αα

π

(2.55)

3 2

Những vị trí nguy hiểm nhất của trục khuỷu được xem xét là [7]:

- Khuỷu trục nằm ở điểm chết trên, tức F = x F xmax

- Khuỷu trục nằm ở vị trí có lực tiếp tuyến là lớn nhất, tức F = y F ymax

- Khuỷu trục nằm ở vị trí có tổng hình học của các lực Fx và Fy đạt giá trị lớn nhất: Fmax =( F x+F y)max

Trong đó: Fmax: Lực tổng lớn nhất

( )l,α

P

Trang 37

2.3.3 Phân tích kết cấu bằng ANSYS

Khi phân tích kết cấu theo ANSYS, ta thực hiện theo các bước sau:

1) Xây dựng mô hình hình học:

Có thể tạo bằng ANSYS hoặc nhập từ các phần mềm CAD như: AutoCAD, Pro Engineer, Solidworks, Adams, …

2) Chọn kiểu bài toán:

ANSYS có thể giải các kiểu bài toán:

- Bài toán phân tích cấu trúc

- Bài toán nhiệt

- Bài toán va đập

- Bài toán thủy khí

- Bài toán dao động

- Bài toán dòng chảy

Ở đây ta chọn bài toán phân tích cấu trúc/kết cấu

3) Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn:

Xem xét những cách thức khác nhau để tạo một lưới trong ANSYS và cuối cùng

là nhập một mô hình phần tử hữu hạn vào trong ANSYS một cách trực tiếp ANSYS không sử dụng mô hình hình học trong lời giải của mô hình, mà nó cần những phần tử hữu hạn, quá trình chia lưới được sử dụng để điền đầy mô hình hình học bằng nút và phần tử tức là tạo mô hình phần tử hữu hạn Quá trình gồm các bước sau:

a) Định nghĩa các thuộc tính của phần tử:

Thuộc tính phần tử là những đặc trưng của mô hình phần tử hữu hạn mà ta phải thiết lập trước khi chia lưới Chúng bao gồm:

Trang 38

23

UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ (ba thành phần chuyển vị dài theo ba trục và ba thành phần chuyển vị góc quanh ba trục)

+ Dạng phần tử: hình lục diện, hình tứ diện, hình tứ giác, hình tam giác…

+ Không gian: 2D (chỉ trong mặt phẳng x-y) hoặc 3D

+ Dạng giả thuyết của trường chuyển vị: bậc nhất hoặc bậc hai

ANSYS có một thư viện gồm hơn 150 kiểu phần tử để ta lựa chọn khi tính

Bảng 2.3: Các kiểu phần tử kết cấu thông dụng [1]

PLANE2

SOLID95 SOLID92 SOLID186

SHELL93

Trong phân tích kết cấu không gian, ta thường dùng phần tử Solid 186 Phần tử này có các đặc trưng được mô tả trên hình 2.4 và bảng 2.4

Hình 2.4: Phần tử solid 186

Trang 39

Bảng 2.4: Các thông số đầu vào của phần tử Solid 186

Tóm tắt dữ liệu đầu vào của phần tử Solid 186 Nút Gồm có 20 nút: I, J, K, L, M, N, O, P, Q, R, S, T, U, V, W, X, Y,

Z, A, B

Bậc tự do Có 3 bậc tự do: Chuyển vị theo phương X (UX)

Chuyển vị theo phương Y (UY) Chuyển vị theo phương Z (UZ)

Hằng số thực Phần tử này không có hằng số thực

Thuộc tính vật

liệu

- Mô đun đàn hồi theo các trục X , Y , Z (EX, EY, EZ)

- Hệ số giãn nở nhiệt theo các phương X, Y, Z (ALPX, ALPY, ALPZ hay CTEX, CTEY, CTEZ, THSX,THSY, THSZ),

- Hệ số poisson trong các mặt phẳng XY, YZ, XZ (PRXY, PRYZ, PRXZ)

- Khối lượng riêng (DENS)

- Mô đun trượt trong các mặt GXY, GYZ, GXZ

Trang 40

25

Phần tử một chiều gồm:

- Các phần tử dầm được dùng để mô hình hóa kết cấu ghép bulông, kết cấu dạng ống, thép hình, hoặc bất kỳ một kết cấu dài mảnh mà ta chỉ quan tâm đến ứng suất màng và uốn

- Các phần tử thanh được dùng để mô hình hóa lò xo, kết cấu ghép bulông dự ứng lực, và hệ dàn thanh

- Các phần tử lò xo được dùng để mô hình hóa lò xo, kết cấu ghép bulông, kết cấu dài mảnh, hoặc để thay thế các phần phức tạp bằng độ cứng tương đương

Phần tử vỏ:

Dùng để tạo mô hình những bản mỏng hoặc những mặt cong

Phần tử khối 2D:

Dùng để tạo mô hình mặt cắt ngang của những đối tượng khối 3D Phải được

mô hình hóa trong mặt phẳng X-Y của hệ tọa độ Đề các tổng thể Tất cả các tải đều nằm trong mặt phẳng X-Y, và các ứng xử (Các chuyển vị ) cũng nằm trong mặt phẳng X-Y

Phần tử khối 3D:

- Dùng cho những kết cấu mà mô hình hình học, vật liệu, tải, hoặc do yêu cầu kết quả chi tiết không thể mô hình hóa bằng những phần tử đơn giản hơn

- Dùng khi mô hình hình học được nhập từ các hệ CAD 3D, mà nếu chuyển sang

mô hình 2D hoặc vỏ thì sẽ mất nhiều thời gian và công sức

Các hằng số đặc trưng: hằng số đặc trưng dùng để bổ sung các đặc trưng cho hình học của phần tử Hầu hết các phần tử khối 3D không đồi hỏi hằng số đặc trưng vì hình học phần tử được định nghĩa đầy đủ bởi các nút của nó

Thuộc tính vật liệu: Mỗi phân tích đòi hỏi phải nhập vào một vài thuộc tính của vật liệu như mô đun đàn hồi E xđối với những phần tử kết cấu, độ dẫn nhiệt

xx

K đối với những phần tử nhiệt …

b) Xác định các thông số điều khiển việc chia lưới

ANSYS cung cấp nhiều công cụ để điều khiển mật độ lưới, nằm trong hai mức là tổng thể và cục bộ Cụ thể:

- Điều khiển tổng thể: bao gồm các chọn lựa:

+ Kích thước thông minh,

+ Kích thước phần tử tổng thể,

+ Kích thước mặc định

Định dạng
Số trang	84
Dung lượng	1,22 MB