Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu khả năng chịu ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ HINO - J08CF khi tăng áp. Nghiên cứu lý thuyết bằng phần mềm mô phỏng ANSYS và kết quả thực nghiệm là phù hợp. Theo đó có thể lắp bộ tăng áp cho động cơ HINO - J08C để tăng áp suất từ 86 bar lên 100 bar. Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học cho các nghiên cứu tiếp về ảnh hưởng của việc tăng áp đến các chi tiết khác của động cơ HINO - J08CF theo hướng tăng công suất, nghiên cứu này cũng có thể áp dụng cho các động cơ diesel khác đang ứng dụng ở Việt Nam.
74 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 20, Aug 2016 KHẢ NĂNG CHỊU ỨNG SUẤT CỦA THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ HINO - J08CF KHI TĂNG ÁP AN MECHANICAL STRESS ABILITY OF THE CONNECTING ROD FOR ENGINE HINO - J08CF ON PRESSURE INCREASING Nguyễn Hữu Hường1, Nguyễn Thế Giới2 Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Tp.HCM Trường Cao Đẳng Giao Thơng Vận Tải Tp.HCM Tóm tắt: Bài báo trình bày kết nghiên cứu khả chịu ứng suất học truyền động HINO - J08CF tăng áp Nghiên cứu lý thuyết phần mềm mô ANSYS kết thực nghiệm phù hợp Theo lắp tăng áp cho động HINO - J08C để tăng áp suất từ 86 bar lên 100 bar Kết nghiên cứu sở khoa học cho nghiên cứu tiếp ảnh hưởng việc tăng áp đến chi tiết khác động HINO - J08CF theo hướng tăng cơng suất, nghiên cứu áp dụng cho động diesel khác ứng dụng Việt Nam Từ khóa: Phân tích tải truyền, phân tích ứng suất truyền, ứng suất lớn Abstract: The paper presents the initially result on the ability of power increasing for the connecting rod of the diesel engine HINO - J08CF It is determined by the analysis on the stress for the connecting rod on highest level during the power phase The application of finite element method in ANSYS software simulation to calculate stress on the connecting rod and combine with stress - test The study shows that this engine can use turbo - charger to increase pressure from 86 to 100 bar This initially result can be a basis on researching for others details of the diesel engine HINO - J08CF to increase its engine power and others engines in Vietnam Keywords: Connecting rod load analysis, connecting rod stress analysis, maximum stress Giới thiệu Thế hệ động đốt thập niên cuối kỷ 20 chuyển sang tăng áp nhằm tăng công suất Khi động tăng áp, kết cấu chi tiết chịu lực quan tính toán thiết kế tối ưu chế tạo phù hợp Ở Việt Nam, năm đầu kỷ 21 nhập ô tô sử dụng động truyền thống chưa tăng áp Việc nghiên cứu để lắp tăng áp cho động sử dụng nước ta mang ý nghĩa khoa học thực tiễn lớn, nhằm giảm chi phí mua động Một chi tiết quan trọng động truyền chi tiết chịu nhiều loại tải trọng trình làm việc động đốt Trong nước có số nghiên cứu lý thuyết tính tốn độ bền khả chịu lực truyền [1] [2] Ở nước nghiên cứu [3], [4] [5] thực theo hướng xác định ứng suất học truyền tối ưu hóa kết cấu, giảm khối lượng truyền động Trong nghiên cứu thực cho truyền động diesel HINO- J08CF với việc kết hợp tính tốn mơ thực nghiệm để so sánh kết Chu trình động Hino J08CF Động diesel kỳ, 6XL HINO J08CF (dung tích Vh = 7,961cm3; cơng suất lớn Nemax= 156 kW 2900 vòng/phút) Nhật chế tạo từ năm 2002 lắp xe sử dụng phổ biến Việt Nam Thân truyền động HINO – J08CF có tiết diện chữ I (hình 1), tăng dần phía đầu lớn, có gờ dày để khoan lỗ dẫn dầu bơi trơn cho đầu nhỏ, chế tạo từ thép C45Mn [10] 2.1 Chu trình nhiệt thực tế động Chu trình làm việc thực tế động biểu trình thay đổi áp suất xylanh phụ thuộc vào thể tích mơi chất cơng tác xylanh, sở cho việc xác định thông số kỹ thuật động Q trình nén xem trình đa biến với số nén n1 thay đổi Quá trình cháy động trình phức tạp chu trình làm việc động Để đơn giản tính tốn, ta chia q trình cháy giai đoạn: Cháy đẳng tích cháy đẳng áp TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 20 - 08/2016 A A 30 N7 +0,089 R71 Ø37+0,05 Ø41 js6 A R5 268 188 32 18 R18 32 R69 Ø4 84 110 H7 +0,106 Ø62+0,066 Ø68 js6 28.5 28.5 21 20 33 A Hình Thanh truyền động Hino J08CF Khi tính tốn q trình giãn nở, xem số giãn nở đa biến n1 không thay đổi Từ đó, tính tốn nhiệt độ áp suất chu trình thực tế động Hino J08CF chưa tăng áp tăng áp theo thông số động từ [6] lý thuyết tính tốn [7] 2.2 Động lực học cấu trục khuỷu truyền Hình Lực tác dụng lên trục khuỷu - truyền Thanh truyền chịu tải trọng phức tạp trình hoạt động động với hai nguồn tải chính: Áp lực khí thể sinh q trình cháy lực quán tính khối lượng chuyển động tịnh tiến Chuyển vị x, vận tốc v, gia tốc a piston theo góc quay trục khuỷu tính: x = (L + r) - (Lcos + rcos) (1) v =cdx/dt =2.r.sin (2) a = dv/dt= 2r. cos (3) Với: = n/30: Vận tốc góc trục khuỷu; 75 n: Vòng quay trục khuỷu động Khối lượng nhóm piston: mnp = mp + msm + mx (4) Ở đây: mp: Khối lượng piston (kg); msg: Khối lượng xéc măng (kg); mx: Khối lượng chốt piston khóa (kg) Tổng lực tác dụng lên chốt piston theo phương dọc trục xilanh P = mmpa+Pkt (N) (5) Trong đó: a: Gia tốc piston (m/s2); Pkt: Lực khí thể xilanh (N) Quan hệ góc trục khuỷu truyền = asin((r/L) sin ) (6) Lực pháp tuyến lên thành xilanh: N=P.tg (7) Lực pháp tuyến dọc trục truyền: Ptt =P/cos (N) (8) Từ (5) đến (8), xác định lực lớn tác dụng lên chốt piston chưa tăng áp (hình 3) tăng áp (hình 4) Trong bảng thơng số chu trình thực tế động chưa tăng áp Bảng Nhiệt độ áp suất chu trình thực tế động chưa tăng áp Quá trình nạp: Nhiệt độ cuối trình nạp Áp suất cuối trình nạp Quá trình nén: Nhiệt độ cuối trình nén Thể tích tồn Thể tich áp lớn Áp suất cuối trình nén Quá trình cháy:Nhiệt độ cuối trình cháy Áp suất cháy cực đại Áp suất cuối trình giãn nở Nhiệt độ cuối trình giản nở Quá trình thải:Áp suất cuối trình thải Nhiệt độ khí sót Hình Đồ thị tổng lực tác dụng lên chốt piston dọc truyền chưa tăng áp 339 0K1 bar 1027 0K 1399 cm3 91,25cm3 48,5 bar 2180 0K 86 bar 3,35 bar 1361 0K 1361 bar 750 0K Hình Đồ thị tổng lực tác dụng lên chốt piston dọc truyền tăng áp 2.3 Xác định trạng thái ứng suất truyền động Trình tự phân tích tốn theo phương pháp PTHH 76 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 20, Aug 2016 Rời rạc hóa miền khảo sát Với tốn cụ thể số phần tử, hình dạng, kích thước phần tử phải xác định rõ Số điểm nút phần tử không lấy cách tùy tiện mà phụ thuộc vào hàm xấp xỉ định chọn Chọn hàm xấp xỉ thích hợp Vì đại lượng cần tìm chưa biết, ta giả thiết dạng xấp xỉ cho đơn giản tính tốn máy tính phải thỏa mãn tiêu chuẩn hội tụ thường chọn dạng đa thức Thiết lập ma trận độ cứng phần tử [K]e véc tơ phần tử {P}e Có nhiều cách thiết lập trực tiếp, sử dụng nguyên lý biến phân, phương pháp biến phân…; biểu diễn hình thức phương trình phân tử: (9) Ke qe = Pe Ghép nối phần tử sở mơ hình tương thích mà kết hệ thống phương trình K q = P (10) Trong đó: ̅ ]: Ma trận độ cứng tổng thể (ma trận hệ [𝐊 số toàn miền); ̅}: Véc tơ tập hơp đại lượng cần tìm {𝐪 nút (véc tơ chuyển vị nút tổng thể); ̅}: Véc tơ số hạng tự tổng thể {𝐏 (véc tơ tải tổng thể) Sử dụng điều kiện biên toán, kết nhận hệ phương trình: K* q* = P* (11) Đây phương trình hệ thống Giải hệ phương trình đại số (11) Với tốn tuyến tính việc giải hệ phương trình đại số khơng khó, với tốn phi tuyến nghiệm đạt sau chuỗi bước lặp mà sau bước ma ̅ ] thay đổi hay véc tơ lực hút {𝑷 ̅} trận cứng [𝑲 thay đổi Từ kết này, tiếp tục tìm ứng suất, chuyển vị hay biến dạng tất phần tử 2.4 Phương pháp thí nghiệm Giả thiết động hoạt động thời kỳ cháy giãn nở với tốc độ quay 2900 vòng/phút Lúc ta xem truyền đứng yên với vị trí 3700 Thanh truyền thời điểm chịu lực tác dụng lực khí thể lực quán tính Bằng phương pháp tính toán động học động lực học cấu piston - truyền, quy đổi áp suất khí thể lực quán tính tính lực tác dụng đầu nhỏ truyền theo chiều lực tác dụng lực phân bố lên nửa đầu nhỏ truyền 100 KN Kết 3.1 Kết tính ứng suất truyền phương pháp truyền thống Ứng suất tổng cộng nén uốn mặt cắt ngang nơi chuyển tiếp từ thân đến đầu truyền: P (12) σ = Kx n F Ở đây: Kx = 1,11,2; F: Diện tích tiết diện truyền; Pn: Lực tác dụng lên chốt piston Từ (12), tính ứng suất theo trường hợp sau: Khi = 3700 không tăng áp Ứng suất mặt cắt ngang nơi chuyển tiếp từ thân đến đầu nhỏ truyền: σt = K x Pn 87808 = 1,2 = 281 MPa F 374.106 Ứng suất mặt cắt ngang nơi chuyển tiếp từ thân đến đầu lớn truyền: σD = K x Pn 87808 = 1,2 = 283 MPa 372.106 F Khi = 3700 tăng áp Ứng suất mặt cắt ngang nơi chuyển tiếp từ thân đến đầu nhỏ truyền: σ t =K x Pn 103194 = 1,2 = 331 MPa 374.106 F Ứng suất mặt cắt ngang nơi chuyển tiếp từ thân đến đầu lớn truyền: σ D =K x Pn 103194 = 1,2 = 333 MPa F 372.106 Nhận xét: Lực gây tải lớn Pn= 103194 (N) = 3700, tương ứng tmax=333 Mpa, dmax= 331 Mpa, tmax dmax Các giá trị nằm giới hạn cho phép ([]=500600 MPa) vật liệu chế tạo truyền TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 20 - 08/2016 Phương pháp tính ứng suất truyền thống cho giá trị ứng suất tổng thể, không chi tiết, không vẽ đồ thị phân bố ứng suất theo chiều dài mặt cắt, vị trí mặt cắt; có khó khăn tốn nhiều thời gian Thanh truyền có đặc điểm hình học phức tạp, nhiều vị trí ứng suất tập trung phân bố theo vùng Vì vậy, việc xác định vùng ứng suất, ứng suất phân bố theo chiều dài truyền mặt cắt phương pháp truyền thống gặp nhiều khó khăn 3.2.Tính mơ ứng suất truyền phần mềm ANSYS 77 Hình Mơ vùng ứng suất truyền vị trí 3700 Hình Mơ vùng ứng suất truyền động Hino J08CF vị trí 3700 Hình Mơ hình piston - trục khuỷu - truyền động HINO - J08CF ANSYS 3.3.Kết thử nghiệm Quy trình thử nghiệm truyền trình bày theo hình Phương pháp thử nghiệm ứng suất truyền động HINO J08CF Thiết bị thử nén InstronUSA,1500HDX Thiết bị thử uốn Instron-USA,1500HDX Hình Mơ hình truyền sau chịu áp đặt tải điều kiện biên Tính mơ ứng suất học truyền động Hino - J08CF phần mềm ANSYS Mơ hình cấu piston - trục khuỷu - truyền động Hino J08CF thiết kế phần mềm COREO (hình 5) nhập vào ANSYS Thép C45Mn [10] có E=2,22x1011(Pa); ρ = 7850 (kg/m3); ν = 0,3 Mơ hình chia lưới mm Lực đặt truyền phân bố góc quay trục khuỷu 3700 Chọn tải trọng thử phân bố đầu nhỏ truyền gối cố định đầu nhỏ truyền (hình 6, 7, 8) Kết nghiên cứu phần mềm ANSYS thí nghiệm cho thấy ứng suất học lớn [] = 480 Mpa, nhỏ giá trị cho phép [] = 500600 [MPa] vật liệu chế tạo truyền Thiết bị gá đặt lực Kết Thiết bị gá đặt lực Kết Hình Quy trình thử nghiệm nén, uốn vị trí đặt lực [11], [12] Kết thử biến dạng truyền chịu lực nén lớn 337,63KN lực uốn lớn 84,39KN trình bày đồ thị hình 10 [10] Vị trí ứng suất biến dạng tiết diện có ứng suất uốn nén cao đoạn thân truyền nén ngang, dọc 78 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 20, Aug 2016 Hình 10 Đồ thị quan hệ ứng suất biến dạng truyền nén 100KN Từ kết ba chế độ thử nghiệm kéo, nén uốn, ta có nhận xét sau: - Khi nén dọc đến lực lớn 100 KN thỏa ứng suất cho phép; nén phá hủy, ứng suất truyền đạt đến 1100 MPa [9] - Khi tăng áp động ứng suất truyền có kể đến hệ số an tồn thấp giới hạn cho phép - Khi thử uốn ngang cho thấy giảm kích thước truyền tăng áp 3.4 So sánh kết nghiên cứu Bảng So sánh ứng suất tính tốn thí nghiệm Góc quay trục khuỷu 370 Tính theo ANSYS lực nén Pnmax=100 KN [Amax] 480,39 (MPa) Thí nghiệm lực nén P=100 KN [TNmax] 480 (MPa) Thí nghiệm phá hủy lực nén phá hủy Pmax= 338KN [TNPmax] 1100 (MPa) Amax: Ứng suất lớn truyền phần mềm ANSYS TNmax: Ứng suất lớn truyền thí nghiệm TNPmax: Ứng suất lớn truyền thí nghiệm phá hủy Kết luận hướng phát triển 4.1 Kết luận Kết nghiên cứu khả chịu tải truyền động HINO - J08CF với việc kết hợp tính tốn mơ phần mềm ANSYS thử nghiệm độ bền truyền tăng áp cho thấy: Có thể lắp tăng áp lên động HINO - J08CF nhằm tăng công suất cho động sử dụng Việt Nam, giảm chi phí mua động 4.2 Hướng nghiên cứu phát triển Từ kết nghiên cứu tiếp ảnh hưởng thông số khác như: Nghiên cứu ứng suất nhiệt piston trục khuỷu động cơ; nghiên cứu mơ q trình cháy tăng áp động HINO J08CF, thiết kế lắp đặt tăng áp cho động Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Văn Thanh, Xác định trường ứng suất cơnhiệt truyền động xe xích RT76 có xét đến ảnh hưởng lực ma sát trượt, Luận văn thạc sĩ trường Đại học Kỹ Thuật Lê Quý Đôn, năm 2012 [2] Đỗ Văn Quý, Khảo sát trạng thái ứng suất cơ-nhiệt truyền động ZIL 130, Luận văn thạc sĩ trường Đại học kỹ thuật Lê Quý Đôn, năm 2012 [3] Pranav G Charkha and Dr Santosh B Jaju, Analysis & Optimization of Connecting Rod, Emerging Trends in Engineering and Technology (ICETET), pp.86 -91, 2009 [4] PravardhanS Shenoy and Ali Fatemi, Connecting Rod Optimization for Weight and Cost Reduction, SAE Technical, pp.321-330, 2005 [5] Dr K Tirupathi Reddy, Syed Altaf Hussain, Modeling and Analysis of Two Wheeler Connecting Rod, International Journal of Modern Engineering Research (IJMER), Vol.2, pp.3367-3371, 2012 [6] Hino Motor, Hino Workshop Manual –Model: J08CF, Hino Motors, Ltd, 1996, pp.30-100 [7] Nguyễn Tất Tiến, Nguyên lý Động đốt trong, Nhà xuất giáo dục, 1999, tr 18-30 [8] Hồ Tấn Chuẩn, Nguyễn Đức Phú, Trần Văn Tế, Nguyễn Tất Tiến, Kết cấu Tính toán động đốt trong, Nhà Xuất Bản Giáo Dục Hà Nội, 1996, tr 43-52 [9] Quách Đình Liên, Thiết kế Nguyên lý động Diesel, Nhà Xuất Bản Nha Trang , 1999, tr 34-39 [10] Phiếu thử nghiệm số KT3-05194CK4/2 ngày 11/11/2014 Trung tâm đo lường chất lượng ‘Xác định thành phần hóa học mác thép truyền động Hino J08CF’ theo TCVN 1765-75 [11] Phiếu thử nghiệm số KT3-04440CK5/2 ngày 27/08/2015 Trung tâm đo lường chất lượng ‘Thử nghiệm nén dọc nén ngang truyền động Hino J08CF’ [12] Phiếu thử nghiệm số KT3-04740CK5/2 ngày 11/09/2015 Trung tâm đo lường chất lượng ‘Thử nghiệm kéo dọc truyền động Hino J08CF Ngày nhận bài: 15/06/2016 Ngày chuyển phản biện: 20/06/2016 Ngày hoàn thành sửa bài: 06/07/2016 Ngày chấp nhận đăng: 12/07/2016 ... mềm ANSYS 77 Hình Mô vùng ứng suất truyền vị trí 3700 Hình Mơ vùng ứng suất truyền động Hino J08CF vị trí 3700 Hình Mơ hình piston - trục khuỷu - truyền động HINO - J08CF ANSYS 3.3.Kết thử nghiệm... tải truyền động HINO - J08CF với việc kết hợp tính tốn mơ phần mềm ANSYS thử nghiệm độ bền truyền tăng áp cho thấy: Có thể lắp tăng áp lên động HINO - J08CF nhằm tăng công suất cho động sử dụng... truyền động Hino J08CF Khi tính tốn q trình giãn nở, xem số giãn nở đa biến n1 khơng thay đổi Từ đó, tính tốn nhiệt độ áp suất chu trình thực tế động Hino J08CF chưa tăng áp tăng áp theo thông số động