Giải pháp tạo tải mô phỏng tác dụng lên thanh truyền trong thiết bị thực nghiệm bôi trơn ổ đầu to thanh truyền

Bài viết đưa ra giải pháp mô phỏng tải tương ứng chu kỳ làm việc của động cơ và phương pháp đo lực tác dụng lên thanh truyền (đầu to thanh truyền) bằng vật liệu quang đàn hồi trong thiết bị đặc chủng khảo sát bôi trơn ổ đầu to thanh truyền. Lực tác dụng lên thanh truyền gồm hai lực kéo/nén và lực uốn. Các lực này được đo bằng các cảm biến biến dạng thông qua lắp đặt các cảm biến theo mạch cầu.

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 129 (2018) 015-020 Giải pháp tạo tải mô tác dụng lên truyền thiết bị thực nghiệm bôi trơn ổ đầu to truyền A Solution for Creating the Simulating Load on Connecting-Rod in the Experimental Device for Lubricating Condiction of the Connecting-Rod Big End Bearing Trần Thị Thanh Hải Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội Đến Tòa soạn: 15-3-2018; chấp nhận đăng: 28-9-2018 Tóm tắt Tuổi thọ độ tin cậy làm việc cụm trục khuỷu-thanh truyền động đốt phụ thuộc nhiều vào chế độ bôi bơn Thanh truyền phận quan trọng động cơ, đầu to truyền làm việc điều kiện khắc nghiệt (tải trọng lớn thay đổi liên tục, vận tốc lớn, nhiệt độ cao, …) Các nghiên cứu tính tốn bơi trơn gối đỡ ln ln cần có thiết bị thực nghiệm để kiểm nghiệm tính tốn Bài báo đưa giải pháp mô tải tương ứng chu kỳ làm việc động phương pháp đo lực tác dụng lên truyền (đầu to truyền) vật liệu quang đàn hồi thiết bị đặc chủng khảo sát bôi trơn ổ đầu to truyền Lực tác dụng lên truyền gồm hai lực kéo/nén lực uốn Các lực đo cảm biến biến dạng thông qua lắp đặt cảm biến theo mạch cầu Keywords: Thanh truyền, ổ trượt, sơ đồ tải, cảm biến biến dạng, vòng đệm belleville Abstract The longevity and reliability of the crankshaft-connecting rod assembly in internal combustion engines depends very much on the lubricated regime Connecting-rod is an important part of the engine, in which the connecting-rod big end bearing works in severe conditions (heavy load and dynamic, high velocity, high temperature, ) The calculation research for this type bearing need always be equipped with experimental device to compare the calculated results and the experimental results This paper presents the load simulation solution corresponding to the engine's operating cycle and the force measurement method applied to connecting-rod (connecting-rod big end) model of photoelastic in the special device for lubricating of the connecting-rod big end bearing The force acting on the connecting-rod includes two traction/compression and flexion forces These forces are measured by strain gauges by the installation of bridge sensors.) Từ khóa: Connecting-rod, bearing, load diagram, strain gauges, belleville washers Giới thiệu * truyền mô thiết bị thực nghiệm với cấu mô tải tương ứng với chu kỳ làm việc động Thanh truyền phận quan trọng động cơ, đầu to truyền (ổ đầu to truyền: tạo thân truyền, nắp truyền trục khuỷu) làm việc điều kiện khắc nghiệt (tải trọng lớn thay đổi liên tục, vận tốc lớn, nhiệt độ cao, …) Do vậy, việc nghiên cứu đặc tính bơi trơn ổ đầu to truyền q trình làm việc nhà khoa học nhà sản xuất quan tâm Trong khơng thể thiếu nghiên thực nghiệm nhằm kiểm chứng mơ hình tính tốn lý thuyết Có hai phương pháp thực nghiệm nhà khoa học giới áp dụng Phương pháp thứ thực nghiệm với truyền thật động mơ hình tương đương Phương pháp thứ hai thí nghiệm với Về nghiên cứu truyền thật, năm 1965, Cook [1] nghiên cứu đo quỹ đạo tâm trục ổ trục khuỷu động diezel xi lanh cảm biến điện từ, kết cho thấy biến dạng đàn hồi ổ thay đổi nhiều tải tác dụng lớn Năm 1973, Rosenberg [2] sử dụng thiết bị tương đương để đo chiều dày màng dầu thông qua cảm biến Các kết cho thấy tương thích chiều dày màng dầu tải tác dụng Năm 1985, 1987 1988 Bates cộng [3] [4] [5] xây dựng thiết bị sử dụng động xăng V6 biến đổi để đo đặc tính ổ đầu to truyền Năm 2001, Moreau [6] tiến hành đo chiều dày màng dầu ba ổ trục khuỷu ổ đầu to truyền động xăng xilanh Tác giả nghiên cứu ảnh hưởng độ nhớt dầu bơi trơn, khe hở bán kính tới chiều dày Địa liên hệ: Tel.: (+84) 978263926 Email: hai.tranthithanh@hust.edu.vn * 15 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 129 (2018) 015-020 màng dầu Năm 2005, Michaud [7] Fatu [8] tham gia xây dựng băng thử LMS để nghiên cứu bôi trơn ổ đầu to truyền điều kiện làm việc thực khắc nghiệt Tốc độ tối đa động đạt 20.000 v/ph với tải nén kéo tác dụng 90 KN 60 KN Các nghiên cứu truyền mô phỏng, năm 1983, Pierre-Eugene [9] cộng nghiên cứu biến dạng đàn hồi ổ đầu to truyền tác dụng tải cố định Thanh truyền đúc từ nhựa epoxy Thanh truyền lắp với trục thép quay với tốc độ 50 đến 200 v/ph, tải tác dụng thay đổi từ 60N đến 300N Năm 2000, Optasanu [10] triển khai thiết bị thực nghiệm để nghiên cứu ổ đầu to truyền với cấu mô tải tương ứng với động Thiết bị tuân theo nguyên lý hệ biên-khuỷu sử dụng truyền Thanh truyền làm vật liệu trong, nhựa epoxy PSM1 PSM4 Năm 2012, Hoang [11] nâng cấp thiết bị sử dụng truyền vật liệu PLM4 nghiên cứu nhiệt độ màng dầu thông qua cảm biến nhiệt độ việc piston động Thanh truyền nghiên cứu đặt song song với truyền dẫn Ổ đầu to truyền tạo thân truyền, nắp truyền trục Đầu nhỏ truyền nghiên cứu liên kết trượt theo piston Khi làm việc (khi trục quay), lực tạo chuyển động piston truyền cân áp suất màng dầu ổ đầu to truyền Trong báo này, tác giả xây dựng cấu tạo tải mô lực khí thể tác dụng lên truyền (đầu to truyền) vật liệu quang đàn hồi thiết bị thực nghiệm khảo sát bôi trơn ổ đầu to truyền Tải mô tương ứng với chu kỳ làm việc động Lực tác dụng lên truyền gồm hai lực kéo/nén lực uốn Các lực đo cảm biến biến dạng thông qua lắp đặt cảm biến theo mạch cầu Hình Sơ đồ nguyên lý thiết bị thực nghiệm Đầu to truyền có đường kính 97,5 mm, chiều dày 20mm Tổng chiều dài truyền (bao gồm đầu to, đầu nhỏ phần ghép nối 241,5 mm (Hình 2) Thiết bị thực nghiệm Thiết bị thực nghiệm tuân theo nguyên lý hệ biên-khuỷu (Hình 1) Thanh truyền mơ hình gồm hai nửa, đầu nhỏ truyền (8) thép đầu to truyền (9a) (9b) vật liệu quang đàn hồi ((9a) thân đầu to truyền, (9b) nắp đầu to truyền) Động điện (2) quay truyền chuyển động tới trục khuỷu (11) qua hộp giảm tốc (3) làm cho trục khuỷu quay, trục khuỷu quay kéo theo piston dẫn (5) chuyển động tịnh tiến lên xuống nhờ kết nối thông qua truyền dẫn thép (16) lắp với trục, đầu nhỏ lắp với piston dẫn Cụm kết cấu trượt dọc theo hai trụ khung, liên kết (trụ) piston dẫn đầu nhỏ truyền dẫn trục quay truyền dẫn trục khuỷu nhờ ổ đỡ Trong trình làm việc truyền dẫn (biên dẫn) đẩy piston lên phía kéo xuống phía dưới, chuyển động tuân theo hệ biênkhuỷu động nhiệt Piston (7) đóng trò piston động nhiệt, chuyển động tịnh tiến lên xuống theo piston dẫn, liên kết với trục khuỷu (11) (qua bạc 10 lắp chặt với trục khuỷu) thông qua truyền mơ hình (gồm đầu nhỏ truyền thép (8) đầu to truyền vật liệu quang đàn hồi (9a + 9b)) mơ q trình làm Hình Thanh truyền mơ hình Cơ cấu tạo tải tác dụng lên truyền Trong động thực, lực tác dụng lên cấu trục khuỷu truyền gồm, lực khí thể (là lực sinh trình cháy - giãn nở hỗn hợp khí xi lanh động cơ), lực quán tính (bao gồm lực quán tính truyền, piston trục khuỷu), lực ma sát (ma sát piston xi lanh, ổ đầu to truyền trục khuỷu, nội ma sát dầu bơi trơn ), lực cản khí - thủy động lực khác (trọng lực ) Trong lực này, trừ trọng lực, độ lớn lực khí thể lực quán tính lớn lực cản lực ma sát nhiều nên q trình tính tốn ta thường 16 Tạp chí Khoa học Công nghệ 129 (2018) 015-020 xét đến hai lực Lực khí thể lực quán tính tác dụng lên truyền thay đổi chu kỳ làm việc động biểu diễn hình [12] cam đảm bảo dẫn động cần thiết hệ thống cấu tạo tải ổn định Lúc trục khuỷu 00, đỉnh cam hướng lên Tỉ số tryền hai puli 2, trục cam (6) giảm tốc hai lần so với trục khuỷu (11) Do trục khuỷu quay 3600 cam quay 1800, đỉnh cam tỳ lên đẩy, nén lò xo xuống tạo lực tác dụng lên đầu nhỏ truyền Bằng cách mô nổ động cơ, lực lớn thay đổi độ cứng lò xo Tuy nhiên, sử dụng lò xo gây độ trễ lớn trình tác dụng lực lên truyền, ta sử dụng vòng đệm belleville Hình Đồ thị lực khí thể lực quán tính [12] Ta thấy, lực khí thể (Pkt) động thực đạt giá trị lớn khoảng 3600, lực khí thể hướng xuống Lực quán tính (Pqt) 3600 đạt giá trị lớn nhất, piston điểm chết bắt đầu chuyển động xuống dưới, lực quán tính hướng lên Tổng hợp lực khí thể lực quán tính Pt 3.1 Nhiệm vụ, yêu cầu, kết cấu cấu tạo tải Hệ thống tạo tải có nhiệm vụ mơ lực khí thể tác dụng lên truyền với yêu cầu đồ thị lực mô tương đương với đồ thị lực khí thể động thực Sơ đồ hệ thống tạo tải hình Hình Cơ cấu tạo tải 3.2 Các tính tốn Tính tốn cấu tạo tải với yêu cầu lực lớn tác dụng lên truyền: Fmax = 500 N, Tốc độ quay trục khuỷu n = 250 vg/ph Theo đồ thị lực khí thể, trục khuỷu quay từ 00-2700 từ 4500-7200 lực khí thể thay đổi nhỏ Từ 2700- 4500 lực khí thể thay đổi lớn, tăng đến giá trị lớn sau giảm dần giá trị xấp xỉ Để thuận tiện trình thiết kế thiết bị ta coi giá trị lớn lực khí thể góc trục khuỷu α = 3600 Cam tạo tải có biên dạng kích thước hình Hình Sơ đồ cấu tạo tải Cơ cấu tạo tải (Hình 5) phải đảm bảo kết cấu nhỏ gọn độ xác hệ thống tạo tải Một cấu cam (6) gắn piston dẫn dẫn động hệ thống dây đai (4) đảm bảo độ tin cậy q trình làm việc có rung động va đập cao Piston dẫn chuyển động tịnh tiến trục khuỷu (11) chuyển động quay kéo theo truyền dẫn chuyển động song phẳng, chia hệ thống đai làm hai cấp Cấp thứ truyền chuyển động từ trục khuỷu tới puly đai gắn chốt đầu nhỏ truyền dẫn, chuyển động song phẳng truyền dẫn nên ta cần căng đai giúp dây đai ln ổn định q trình hoạt động thiết bị Cấp thứ hai truyền chuyển động từ puly cấp thứ đến trục Hình Cam tạo tải 17 Tạp chí Khoa học Công nghệ 129 (2018) 015-020 Vptnc = 4,964.10 -5 m3 (được xác định phần mềm CATIA), với γ - khối lượng riêng đầu nhỏ truyền, γ = 7850 kg/m3 Chọn sơ vòng đệm lò xo Belleville (Hình 7) theo tiêu chuẩn DIN 2093 có đường kính ngồi D = 31,5 mm, đường kính d = 12,2 mm, độ dày t = mm, chiều cao tổng H = 1,9 mm, chiều cao tải (phần nón cụt): h = H – t = 1,9 – = 0,9 mm, vật liệu thép có mơ đun đàn hồi E = 2.1011 N/m2 = 2.105 N/mm2 hệ số poisson µ = 0,3 Vậy: mptnc = 4,964.10-5.7850 = 0,387 kg, với λ= 0,23 (thông số kết cấu) Fqtptd1 = Fqtptd/2, với Fqtptd lực quán tính piston dẫn Fqtptd = – mptdRω2(cosα + λcos2α), với mptd– khối lượng piston dẫn, mptd = Vptd γ với Vptd – thể tích piston dẫn Dùng phần mềm Catia ta tính Vptd = 7,01.10 -4 m3 Vậy: mptd = 7,01.10-4.7850 = 5,468 kg Hình Vòng đệm Belleville Khi trục khuỷu quay α = 3600 (cam quay 1800), ta có: +) Tỉ số đường kính: δ= Ftt = 500 N D 31,5 = = 2,582mm d 12,2 Fqtptnc = – 0,387.55,55.10-3.26,182(cos3600 0,23.cos(2.3600)) = –18,123N +) Hệ số tính tốn: = α π δ +1 − δ −1 ln δ Fqtptd1 = Fqtptd/2 = – 5,468.55,55.10-3.26,182(cos3600 + 0,23.cos(2.3600))/2 = –128,034 N 2  δ −1   δ  =  2,582 −     2,582  = 0,767 π 2,582 + − 2,582 −1 ln 2,582 Vậy ta được: Fvđ = 500 + 18,123 + 128,034 = 646,157 N +) Độ uốn lớn nhất: Thay Fvđ vào biểu thức (1) ta độ uốn s vòng đệm cam quay 1800 s = 0,420 mm Ta dùng 10 vòng đệm lắp theo cặp hình sm = h = 0,9 mm +) Lực tạo vòng đệm bị uốn: Fvd = = E.t s  h s   h s   − − +1 (1 − µ ).α D t  t t   t 2t   + (1) 4.2.105.14 s  0,9 s   0,9 s   − − +1 N (1 − 0,32 ).0,767.31,52  1   2.1   Với s độ uốn (chuyển vị) vòng đệm Lực mơ lực khí thể Hình Lắp vòng đệm belleville theo cặp Lực mơ lực khí thể cấu tạo tải lực vòng đệm bị uốn gây (Fvđ) Lực tác dụng lên truyền (kí hiệu Ftt) là: Khi đó, độ cứng hệ là: (3) Ftt = Fvđ + Fqtptnc + Fqtptd Trong đó: k độ cứng vòng đệm, k = Fvđ/s; ni số lượng vòng đệm nhóm thứ i với Fqtptnc lực quán tính piston nghiên cứu, Fqtptd1 lực quán tính piston dẫn tác dụng lên truyền nghiên cứu Ta có 10 nhóm (g=10), nhóm vòng đệm Thay vào (3) ta được: K = k/10 Vậy: Fvđ = Ftt – Fqtptd1 – Fqtptnc Ta có độ uốn (chuyển vị) tổng vòng đệm belleville: Lực qn tính piston nghiên cứu tính sau [13]: Fqtptnc = – mptncRω2(cosα + λcos2α) smax = F/K = 10F/k = 10s = 10.0,420 = 4,20 mm (2) Đồ thị lực mô lực khí thể cấu tạo tải với mptcnc- khối lượng piston nghiên cứu mptnc = Vptnc γ với Vptnc - thể tích piston nghiên cứu 18 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 129 (2018) 015-020 Với chuyển vị tổng vòng belleville Smax (khi cam quay 1800) vừa tính, ta có khoảng cách từ tâm cam đến đội lúc hệ vòng đệm chưa bị uốn: d0 = 21 – 4,20 = 16,80 mm Gọi β góc quay cam, β = α/2, β0 góc quay mà đỉnh cam bắt đầu tiếp xúc với đội Ta có: |cosβ0| = d0/21 = 16,80/21 = 0,800 Hình 11 Mạch cầu đo lực kéo nén Fx lực uốn Nên β0 = 143,1300 Để đo lực gây nén Fx ta dùng hai cảm biến dán song song lên mặt mặt truyền hai cảm biến không đặt truyền để nối thành mạch cầu (Hình 11a) Tương tự để đo lực gây uốn Fy ta dùng mạch cầu bốn cảm biến (Hình 11b) dán song song hai mặt bên truyền Vì truyền ngâm dầu nên cảm biến phủ lớp sơn cách điện sơn chống dầu Do đó, < β < 143,130 216,870 < β < 7200, cam không tiếp xúc với đội Khi 143,1300 < β < 216,8700 cam tiếp xúc với đội làm vòng đệm bị uốn 0 Gọi d khoảng cách từ tâm cam đến đội Ta có: d = |21cos β | Sự cân cho truyền là: Độ uốn vòng đệm lúc cam quay góc β (β = α/2), s = d – 16,80 Thay vào biểu thức (1) ta tính lực khí thể mơ Fvđ 𝐹𝐹𝑥𝑥𝑡𝑡 = 𝑁𝑁 𝐹𝐹𝑦𝑦𝑡𝑡 𝑙𝑙 + 𝐶𝐶𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝑀𝑀 Ta nhận đồ thị lực mơ lực khí thể cấu tạo tải (Hình 9) có dạng tương đồng với đồ thị lực khí thể vùng xảy nổ động (4) Trong đó: Fxt, Fyt hai thành phần lực áp suất thuỷ động màng dầu ổ đầu to truyền; Cmd mô men ma sát ổ N M lực pháp tuyến theo Ox mô men uốn Kết luận Bài báo đưa giải pháp tạo tải mô tác dụng lên truyền thiết bị thực nghiệm bôi trơn ổ đầu to truyền Thanh truyền nghiên cứu chế tạo vật liệu quang đàn hồi Một cấu tạo tải sử dụng vòng đệm Belleville cam tạo tải để tạo lực mơ lực khí thể vùng xảy nổ động Lực khí thể mơ có giá trị lớn góc 360o trục khuỷu 646,15 N lực lớn tác dụng lên truyền vị trí 500 N Ngồi lực khí thể mơ phỏng, lực khác tác dụng lên truyền gồm lực quán tính truyền lực quán tính truyền dẫn Lực tác dụng lên truyền trình hoạt động gồm lực kéo/nén lực uốn Các lực xác định cảm biến biến dạng (nối theo mạch cầu) dán truyền Hình Đồ thị lực mơ lực khí thể Phương pháp đo lực tác dụng lên truyền Trong trình hoạt động, tải trọng tác dụng lên truyền gồm hai thành phần (Hình 10), lực kéo/nén Fx lực uốn Fy Để xác định hai lực này, ta sử dụng cảm biến đo biến dạng nối thành mạch cầu, mạch cầu đo lực dọc trục (kéo/nén) mạch cầu đo lực uốn References Hình 10 Vị trí đặt cảm biến đo biến dạng để đo lực uốn lực kéo/nén 19 [1] Cooke W.L., 1965-1966, “Dynamic Displacement in a Diesel Engine Main Bearing”, Proceeding Lubrication and Wear Second Convention, Instn Mech Engrs., Vol 23 [2] Rosenberg R.C., 1973, “A Method for Determining the Influence of Multigrade oils on Journal Bearing Performance “, SEA TRANS Paper 730483, Vol 82 [3] Bates T.W., Evans P.G., 1985, “Effect of Oil Rheology on Journal Bearing Performance: Part Instrumentation of the Big-End Bearing of a Fired Tạp chí Khoa học Công nghệ 129 (2018) 015-020 Engine”, Proc Of the JSLE International Tribology Conference, 8-10 juillet, Tokyo, Japon, 1985 [4] Bates S T.W., Benwell S., Evans P.G., 1987, “Effect of Oil Rheology on Journal Bearing Performance: Part - Oil Film Thickness in the Big-End Bearing of an Operating Engine”, Proc 4th SAE Int Pacific Conference on Automotive Engineering, Melbourne, Australia, Paper No 871272 [5] Bates T.W., Benwell S., 1988, “Effect of Oil Rheology on Journal Bearing Performance: Part Newtonian Oils in the Connecting-Rod Bearing of an Operating Engine”, SAE Paper No 880679 [6] Moreau H., 2001, “Mesures des Epaisseurs du Film d’Huile dans les Paliers de Moteur Automobile et Comparaisons avec les Résultats Théoriques”, Thèse de Doctorat de Université de Poitiers [7] Michaud P., 2004, "Modélisation Thermoélastohydrodynamique Tridimensionnelle des Paliers de Moteurs Mise en Place d'un Banc d'Essais pour Paliers Sous Conditions Sévères", Thèse de Doctorat Université de Poitiers [8] Fatu A., 2005, “Modélisation numérique et expérimentale de la lubrification de palier de moteur soumis des conditions sévères de fonctionnement”, Thèse de doctorat de l'Université de Poitiers [9] Pierre-Eugene J., 1983, “Contribution l’Etude de la Déformation Elastique d’un Coussinet de Tête de Bielle en Fonctionnement Hydrodynamique Permanent”, Thèse de Doctorat de l’Université de Poitiers [10] Optasanu V., 2000, “Modélisation Expérimentale et Numérique de la Lubrification des Paliers Compliants sous Chargement Dynamique”, Thèse de Doctorat de l’Université de Poitiers [11] Hoang L.V., 2002, “Modélisation Expérimentale de la Lubrification Thermoélastohydrodynamique des Paliers de Tête de Bielle Comparaison entre les Résultats Théoriques et Expérimentaux”, Thèse de Doctorat de l’Université de Poitiers [12] Phạm Minh Tuấn, Lý thuyết động đốt trong, NXB Khoa học kỹ thuật, 2012 [13] Trần Thanh Hải Tùng, Bài giảng Tính tốn thiết kế động đốt trong, Khoa Cơ khí giao thông, Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, 2007 20 ... dầu ổ đầu to truyền; Cmd mô men ma sát ổ N M lực pháp tuyến theo Ox mô men uốn Kết luận Bài báo đưa giải pháp tạo tải mô tác dụng lên truyền thiết bị thực nghiệm bôi trơn ổ đầu to truyền Thanh truyền. .. cấu tạo tải mơ lực khí thể tác dụng lên truyền (đầu to truyền) vật liệu quang đàn hồi thiết bị thực nghiệm khảo sát bôi trơn ổ đầu to truyền Tải mô tương ứng với chu kỳ làm việc động Lực tác dụng. .. thép (8) đầu to truyền vật liệu quang đàn hồi (9a + 9b)) mơ q trình làm Hình Thanh truyền mơ hình Cơ cấu tạo tải tác dụng lên truyền Trong động thực, lực tác dụng lên cấu trục khuỷu truyền gồm,