Bài báo này 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 t[r]
(1)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 này 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 1 Giới thiệu*
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 trơnổđầu to truyền trình làm việc đangđược cácnhàkhoa học cũngnhư nhà sản xuất quan tâm.Trong khơng thể thiếu nghiên thực nghiệm nhằm kiểm chứng mơ hình tính tốn lý thuyết Có hai phươngpháp thực nghiệm nhà khoa học giới áp dụng Phương pháp thứ thực nghiệm với truyền thật động mơ hình tương đương.Phươngpháp thứ hai thí nghiệm với
*Địa liên hệ: Tel.: (+84) 978263926
Email:hai.tranthithanh@hust.edu.vn
thanh truyền mô thiết bị thực nghiệm với cấu mô tải tương ứng với chu kỳlàm việc động
(2)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 vàkéo 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
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
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)và (9b)bằng 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 truyềndẫn (biên dẫn) đẩy piston lên phía kéo xuống phía dưới, chuyển động tuân theo hệ biên -khuỷu động nhiệt Piston (7) đóng trị piston động nhiệt, chuyển động tịnh tiến lên xuống theo piston dẫn, đượcliên kết với trục khuỷu (11) (qua bạc 10 lắp chặt với trục khuỷu)thơng qua truyền mơ hình (gồm đầu nhỏ truyền thép (8) đầu to truyền vật liệu quang đàn hồi (9a + 9b)) mơ q trình làm
việc piston động Thanh truyền nghiên cứu đặt song song với truyền dẫn Ổđầu 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 màngdầu ổ đầu to truyền
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)
Hình Thanh truyền mơ hình 3 Cơ cấu tạo tải tác dụng lên truyền
(3)xét đến hai lực này.Lực khí thể lực quán tính tác dụng lên truyền thay đổi chu kỳ làm việc động biểu diễn nhưhình 3[12]
Hình Đồ thị lực khí thể lực quán tính[12] Ta thấy, lực khí thể(Pkt)trong 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 tínhlà 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 thốngtạo tải hình 4.
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 cấpthứ đến trục
cam đảm bảo dẫn động cần thiết hệ thống cấu tạo tải ổn định
Lúc trục khuỷu ở00,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 3600thì 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 vịng đệm belleville
Hình Cơcấu 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
của trục khuỷu n = 250 vg/ph Theo đồ thị lực khí thể, trục khuỷu quay từ 00-2700 và 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
(4)Chọn sơ vịng đệm lị 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 = 2.1011N/m2= 2.105N/mm2và
hệ số poissonµ = 0,3
Hình Vịng đệm Belleville +) Tỉ số đường kính:
31,5 2,582 12,2
D mm
d
δ= = =
+) Hệ số tính tốn:
2
2 2,582 1
1
2,582
1. 1. 0,767
1 2,582
1 ln 2,582 ln 2,582
δ δ α π δ π δ δ − − = + = + = − − − −
+) Độ uốn lớn nhất: sm= h = 0,9 mm
+) Lực tạo vòng đệm bị uốn:
4 2
5
2 N
4 . . 1
(1 )
4.2.10 0,9 0,9
(1 0,3 ).0,767.31,5 1 1 1 1 2.1 vd E t D ts h st t h st t
s s s
F µ α
− − + − − − + − = =
(1)
Với s độ uốn (chuyển vị) vịng đệm Lực mơ lực khí thể
Lực mơ lực khí thể cấu tạo tải lực vòng đệm bị uốn gây (Fvđ) Lực tác dụng lên
truyền (kí hiệu Ftt) là: Ftt = Fvđ + Fqtptnc + Fqtptd
với Fqtptnc lực quán tính piston nghiên cứu,
Fqtptd1 lực quán tính piston dẫn tác dụng lên
thanh truyềnnghiên cứu
Vậy: Fvđ= Ftt – Fqtptd1 – Fqtptnc
Lực quán tính piston nghiên cứu tính sau [13]:
Fqtptnc = – mptncRω2(cosα + λcos2α) (2)
với mptcnc- khối lượng piston nghiên cứu
mptnc = Vptnc.
γ
với Vptnc - thể tích piston nghiên cứuVptnc= 4,964.10 -5 m3(được xác định phần mềm
CATIA), với
γ
- khối lượngriêng đầu nhỏ truyền,γ
= 7850 kg/m3Vậy: 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 tíchpiston dẫn Dùng phần mềm Catia ta tính Vptd =
7,01.10 -4 m3.
Vậy: mptd= 7,01.10-4.7850 = 5,468 kg
Khi trục khuỷu quay α = 3600(cam quay 1800),
ta có:
Ftt= 500 N
Fqtptnc = – 0,387.55,55.10-3.26,182(cos3600 +
0,23.cos(2.3600)) = –18,123N
Fqtptd1= Fqtptd/2 = – 5,468.55,55.10-3.26,182(cos3600+
0,23.cos(2.3600))/2 = –128,034 N
Vậy ta được:
Fvđ= 500 + 18,123 + 128,034 = 646,157 N
Thay Fvđvào biểu thức (1) ta độ uốn s
vòng đệm cam quay 1800s = 0,420 mm Ta dùng
10 vòng đệm lắp theo cặp hình
Hình Lắp vịng đệm belleville theo cặp Khi đó, độ cứng hệlà:
(3)
Trong đó:k làđộ cứng vịng đệm,k = Fvđ/s;
nilà số lượng vòng đệm nhóm thứ i
Ta có 10 nhóm (g=10), nhóm vịng đệm
Thay vào(3)ta được: K = k/10
Ta có độ uốn (chuyển vị) tổng vòng đệm belleville:
smax= F/K = 10F/k = 10s = 10.0,420 = 4,20 mm
(5)Với chuyển vịtổng vòng belleville Smax
(khicam 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,β0là góc quay
mà đỉnh cam bắt đầu tiếp xúc với đội Ta có: |cosβ0| = d0/21= 16,80/21 = 0,800
Nên β0= 143,1300
Do đó,khi < β < 143,1300và 216,8700< β <
7200, cam không tiếp xúc với đội Khi 143,1300<
β < 216,8700 cam tiếp xúc với đội làm vòng
đệm bị uốn
Gọi d khoảng cách từ tâm cam đến đội Ta có: d = |21cos β |
Độ uốn vịng 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
Ta nhậnđược đồ thị lực mô lực khí thể cấu tạo tải (Hình 9)có dạng tương đồng với đồ thị lực khí thể vùng xảy nổ động
Hình 9.Đồ thị lực mơ lực khí thể 4 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 Fxvà 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 lựcuốn
Hình 10 Vị trí đặt cảm biến đo biến dạng để đo lựcuốnvàlực kéo/nén
Hình 11.Mạch cầu đo lực kéo nén Fxvà lực uốn Để đo lực gây nén Fxta 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 cầubốn 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
Sự cân cho truyền là: 𝐹𝐹𝑥𝑥𝑡𝑡=𝑁𝑁
𝐹𝐹𝑦𝑦𝑡𝑡.𝑙𝑙+ 𝐶𝐶𝑚𝑚𝑚𝑚= 𝑀𝑀 (4) Trong đó: Fxt, Fytlà hai thành phần lực áp suất thuỷ động màng dầuổ đầu to truyền; Cmd
là mô men ma sát ổ N M lực pháp tuyến theo Ox mô men uốn
5 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 nổtrong động Lực khí thể mơ có giá trị lớn góc 360ocủa trục khuỷulà 646,15
Nvà 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 trênthanh truyền
References
[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
(6)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