Mục tiêu của nghiên cứu là kiểm tra độ bền của trục khuỷu động cơ một xy lanh bằng phương pháp mô phỏng. Đối tượng sử dụng trong nghiên cứu này là trục khuỷu của động cơ của xe gắn máy Honda Blade. Quá trình mô phỏng được thực hiện trong điều kiện trục khuỷu làm việc và chịu tác động của các tải trọng lớn nhất. Các tải trọng này được tính toán từ lý thuyết ứng với các chế độ làm việc của trục khuỷu và chúng được sử dụng cho quá trình mô phỏng. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng trục khuỷu đảm bảo độ bền trong các điều làm việc ứng với tải trọng lớn nhất. Mô phỏng này cũng là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm tính toán và thiết kế chế tạo trục khuỷu đáp ứng được yêu cầu và điều kiện làm việc của từng loại động cơ khác nhau trong thực tế. Nghiên cứu này góp phần làm giảm thời gian và chi phí trong thiết kế và thử nghiệm độ bền của trục khuỷu.
TNU Journal of Science and Technology 226(11): 277 - 283 DURABILITY TESTING OF CRANKSHAFT FOR THE SINGLE-CYLINDER ENGINE BY SIMULATION METHOD Nguyen Thanh Tuan*, Huynh Le Hong Thai Nha Trang University ARTICLE INFO Received: 27/11/2020 Revised: 27/8/2021 Published: 27/8/2021 KEYWORDS The single cylinder engine Durability Simulation Crankshaft Honda Blade ABSTRACT The objective of this study is to test the durability of the singlecylinder engine crankshaft by simulation method The object being tested is the crankshaft of the Honda Blade motorcycle engine The simulation process was carried out in the working condition of the crankshaft and subjected to maximum loads, which were calculated from the theory corresponding to the crankshaft's working conditions and used for the simulation The simulation results showed that the crankshaft ensures durability in the working conditions corresponding to the maximum load This simulation is also the foundation for further studies to calculate and design the crankshaft to meet the requirements and working conditions of different engines in reality This research contributes to reducing the time and cost in the design and testing the durability of crankshafts KIỂM TRA ĐỘ BỀN TRỤC KHUỶU ĐỘNG CƠ MỘT XY LANH BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG Nguyễn Thanh Tuấn*, Huỳnh Lê Hồng Thái Trường Đại học Nha Trang THÔNG TIN BÀI BÁO Ngày nhận bài: 27/11/2020 Ngày hoàn thiện: 27/8/2021 Ngày đăng: 27/8/2021 TỪ KHÓA Động xy lanh Độ bền Mơ Trục khuỷu Honda Blade TĨM TẮT Mục tiêu nghiên cứu kiểm tra độ bền trục khuỷu động xy lanh phương pháp mô Đối tượng sử dụng nghiên cứu trục khuỷu động xe gắn máy Honda Blade Q trình mơ thực điều kiện trục khuỷu làm việc chịu tác động tải trọng lớn Các tải trọng tính tốn từ lý thuyết ứng với chế độ làm việc trục khuỷu chúng sử dụng cho q trình mơ Kết mơ cho thấy trục khuỷu đảm bảo độ bền điều làm việc ứng với tải trọng lớn Mô sở cho nghiên cứu nhằm tính tốn thiết kế chế tạo trục khuỷu đáp ứng yêu cầu điều kiện làm việc loại động khác thực tế Nghiên cứu góp phần làm giảm thời gian chi phí thiết kế thử nghiệm độ bền trục khuỷu DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.3807 * Corresponding author Email: nguyenthanhtuan@ntu.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn 277 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 277 - 283 Giới thiệu Trục khuỷu chi tiết máy quan trọng nhất, cường độ làm việc lớn giá thành cao động đốt Công dụng trục khuỷu tiếp nhận lực tác dụng piston truyền qua truyền biến chuyển động tịnh tiến piston thành chuyển động quay trục để đưa cơng suất ngồi Tuổi thọ cấu khuỷu trục truyền chủ yếu phụ thuộc vào tuổi thọ trục khuỷu Vì kết cấu trục khuỷu, phải ý đảm bảo yêu cầu sức bền, độ cứng vững lớn, trọng lượng nhỏ mịn, khơng xảy tượng dao động cộng hưởng phạm vi tốc độ sử dụng, kết cấu phải đảm bảo tính cân tính đối xứng động đồng thời phải dễ gia cơng chế tạo Trong q trình làm việc, trục khuỷu chịu tác dụng lực khí thể, lực quán tính (quán tính chuyển động tịnh tiến quán tính chuyển động quay), lực có trị số lớn thay đổi theo chu kỳ định nên có tính chất chịu va đập mạnh Các lực tác dụng gây ứng suất uốn xoắn trục, đồng thời gây tượng dao động dọc dao động xoắn, làm động bị rung động, cân Ngồi ra, lực tác dụng nói gây hao mòn lớn bề mặt ma sát cổ trục chốt khuỷu Vật liệu chế tạo trục khuỷu thường thép cacbon, thép hợp kim, gang cầu: Thép cacbon rẻ tiền hơn; hệ số ma sát thép cacbon lớn thép hợp kim Vì vậy, thép cacbon có khả giảm dao động xoắn lớn thép hợp kim, biên độ dao động xoắn nhỏ nên ứng suất xoắn nhỏ [1], [2] Trong đó, thép hợp kim có ưu điểm tính lý sức bền cao, thường dùng động cao tốc phụ tải lớn [2]-[5] Các thép hợp kim thường dùng thép hợp kim mangan, thép hợp kim niken – crom Ngày nay, thép người ta cịn dùng gang graphit để đúc trục khuỷu, có ưu điểm rẻ tiền dễ đúc thép [4], hệ số ma sát gang lớn nhạy cảm với ứng suất tập trung, giữ dầu bơi trơn tốt tính chịu mịn gang tốt thép Hiện nay, có nhiều cơng bố nhà khoa học có liên quan đến độ bền trục khuỷu thông qua mô Trong tập trung vào động cỡ lớn có từ cặp piston – xy lanh trở lên Cụ thể, nghiên cứu chốt trục khuỷu thường chịu mỏi lớn vị trí 153,5o diễn tiến q trình chịu mỏi tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn dự báo tuổi thọ trục khuỷu Trong nghiên cứu này, tuổi thọ trục khuỷu dự báo 2.0230e+007 [4] Có nghiên cứu tập trung lựa chọn ba vị trí xác định ảnh hưởng lực đẩy từ piston tới vị trí Kết vị trí đặc biệt chốt, má phần đối trọng trục khuỷu chịu tác động giá trị trọng lực khác xác định giá trị ứng suất lớn vị trí góc lượn chốt khuỷu với má khuỷu [3] Tuy nhiên, mẫu ô tô khách có nhiều xy lanh xét ba vị trí trục khuỷu gắn với cặp piston xy lanh khơng xác Vì động có bốn cặp piston xy lanh hai vị trí chịu lực lớn thơng thường trục khuỷu (tức vị trí trục khuỷu ứng với piston số 3) [5,6] Cũng nghiên cứu khác, động có bốn xy lanh khẳng định chốt khuỷu an toàn ứng với truyền số 4, vị trí 2, cịn lại khơng đáp ứng tiêu chuẩn bền nâng tải lên 1,2 lần [5] Tuy nhiên, chưa có cơng bố cụ thể liên quan đến mơ độ bền trục khuỷu có động xy lanh đơn xe máy, nơi dự báo trục khuỷu có khả chịu bền tốt kết cấu khơng phức tạp Vì vậy, việc kiểm nghiệm độ bền trục khuỷu nhằm khẳng định lại vật liệu chế tạo đảm bảo điều kiện bền điều kiện trục khuỷu làm việc với giới hạn chịu lực lớn Đồng thời kiểm nghiệm độ bền trục khuỷu sở nghiên cứu nhằm tạo trục khuỷu đáp ứng yêu cầu chế độ làm việc loại động xy lanh đơn khác nhau, góp phần làm giảm thời gian chi phí thử nghiệm Động xy lanh nghiên cứu Hiện nay, Việt Nam động xy lanh sử dụng nhiều phương tiện giới phục vụ vào mục đích khác kinh tế Tuy nhiên, phổ biến nói đến động sử dụng cho loại xe gắn máy nhiều hãng có mặt thị trường nước http://jst.tnu.edu.vn 278 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 277 - 283 ta Trong nghiên cứu mô kiểm nghiệm độ bền trục khuỷu động xy lanh có nhiều ý nghĩa thực mẫu thử nghiệm loại xe gắn máy Cụ thể, nghiên cứu này, nhóm tác giả lựa chọn động xe gắn máy Honda Blade với thông số kỹ thuật miêu tả bảng kết cấu trục khuỷu sử dụng nghiên cứu hình Hình Hình dạng kết cấu trục khuỷu động xy lanh: – Thanh truyền; – Chốt khuỷu; – Vòng bi; – Cổ trục khuỷu; – Má khuỷu; – Đối trọng; – Bánh răng; - Ổ bi; – Then (clavet) [6] Bảng Thông số kỹ thuật động mẫu [7] STT 10 11 Tên thông số Công suất cực đại động Tốc độ quay lớn trục khuỷu Hệ số kỳ Số xy lanh Đường kính xy lanh Hành trình piston Tỷ số nén Áp suất khí thể cực đại Chiều dài truyền Khối lượng nhóm piston Khối lượng truyền Kí hiệu Nemax n τ i D S ε pzmax ltt mnp mtt Giá trị 6,18 7500 50 55,6 6,341 103 0,21 0,44 Đơn vị kW vòng/phút mm mm MN/m2 mm kg kg Sơ đồ tính tốn sức bền trục khuỷu Trước hết để tính tốn thông số lực mô men tác dụng lên trục khuỷu cần phân yếu tố tác động trực tiếp lên trục khuỷu trình vận hành Các loại lực mô men tác động lên trục khuỷu hình Hình Sơ đồ lực momen tác dụng lên trục khuỷu [1] http://jst.tnu.edu.vn 279 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 277 - 283 Pr1 – Lực quán tính ly tâm má khuỷu; Pr2 – Lực quán tính ly tâm đối trọng; C1 – Lực quán tính ly tâm chốt khuỷu; C2 – Lực quán tính ly tâm khối lượng quy dẫn tâm đầu to truyền; Z’, Z” – Phản lực pháp tuyến gối trục bên trái bên phải; T’, T” – Phản lực tiếp tuyến gối trục bên trái bên phải T Z – Lực tiếp tuyến lực pháp tuyến tác dụng lên chốt khuỷu xác định theo đồ thị công thức phần động lực học: sin( + ) Fp cos cos( + ) Z = Pj .Fp cos T = Pj (1) (2) Với α góc quay trục khuỷu; β góc lắc truyền; Fp diện tích đỉnh pít tơng; Pj lực qn tính chuyển động tịnh tiến M’K ,M”K – Mô men xoắn tác dụng cổ trục bên trái (cổ phía trước) cổ trục bên phải (cổ phía sau) Nếu khuỷu tính khuỷu thứ i thì: M’K = ΣTi – 1.Z (MN.m) (3) M”K = ΣTi.R = M’K + T.Z (MN.m) (4) Với ΣTi – – tổng đại số lực tiếp tuyến khuỷu đứng trước khuỷu thứ i Ứng suất lớn phát sinh trục khuỷu xảy bốn trường hợp chịu tải trọng sau [1], [4], [5]: - Trường hợp “khởi động”, chịu lực Pzmax (là lực lớn tác dụng lên vị trí trục khuỷu) - Trường hợp chịu lực pháp tuyến lớn Zmax - Trường hợp chịu lực tiếp tuyến lớn Tmax - Trường hợp chịu tổng lực tiếp tuyến lớn ΣTmax (hoặc Mơ men ΣMmax) Vì trục khuỷu tính tốn trục khuỷu động xy lanh nên trường hợp thứ trường hợp thứ Do tính sức bền cho trục khuỷu trường hợp 1, Mô trục khuỷu động xy lanh Theo kết tính tốn độ bền nêu trên, trục khuỷu động xy lanh có trường hợp nguy hiểm cần kiểm nghiệm là: - Trường hợp khởi động - Trường hợp chịu lực Zmax - Trường hợp chịu lực Tmax Dựa vào kết tính tốn, ta có bảng thông số đầu vào lực tác dụng lên khuỷu trục trường hợp thống kê bảng Bảng Bảng giá trị lực tác dụng lên khuỷu trục trường hợp Trường hợp Giá trị lực Khởi động Chịu lực Zmax Chịu lực Tmax Pzmax =12451 N Zo =2178 N Zo =9576,2 N Tmax =2007 N Từ giá trị bảng 1, tiến hành mô trục khuỷu động xy lanh theo trường hợp sau: Trường hợp khởi động Kết mô thể hình Ứng suất phân bố trục khuỷu có giá trị nhỏ 6,752.10-1 N/m2 ứng suất lớn 4,830.107 N/m2, giá trị nhỏ so với ứng suất cho phép có giá trị 1,723.108 N/m2 nên trường hợp này, trục khuỷu thỏa mãn điều kiện bền Vị trí tập trung ứng suất lớn nằm góc lượn cổ trục má khuỷu hình (b) Độ chuyển vị trục khuỷu có giá trị nhỏ lớn 1.10-30 mm http://jst.tnu.edu.vn 280 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 277 - 283 0,003694 mm Với lực tác dụng 12451 N, trục khuỷu có độ chuyển vị lớn nằm vị trí phía nửa chốt khuỷu hình (c) Trong đó, giá trị độ biến dạng nhỏ lớn trục khuỷu 1,57.10-12 0,000190 Ở trường hợp này, vị trí trục khuỷu có độ biến dạng lớn nằm góc lượn cổ má khuỷu hình (e) (a) (b) (c) (d) (e) (f) Hình Phân bố ứng suất trục khuỷu (a), Vị trí ứng suất lớn trục khuỷu (b), Chuyển vị trục khuỷu (c), Vị trí chuyển vị lớn trục khuỷu (d), Độ biến dạng trục khuỷu (e), Vị trí có độ biến dạng lớn trục khuỷu (f) Trường hợp chịu lực Zmax Trường hợp tiến hành mô tương tự trường hợp Tuy nhiên, lực tác dụng lên khuỷu trục trường hợp gồm lực Zmax lực ly tâm Lực thiết lập có giá trị lực Zo = 2178 N (với lực Zo tổng hợp lực lực Zmax lực ly tâm) Tương tự trục khuỷu có giá trị chuyển vị nhỏ lớn 1.10-30 mm 0,000646 mm, với lực tác dụng 2178 N, trục khuỷu có chuyển vị lớn nằm vị trí phía nửa chốt khuỷu Trong đó, trục khuỷu có độ biến dạng nhỏ 9,902.10-14 độ biến dạng lớn 0,000029 Giống trường hợp khởi động, trường hợp chịu lực Zmax độ biến dạng lớn trục khuỷu vị trí góc lượn cổ trục với má khuỷu http://jst.tnu.edu.vn 281 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 277 - 283 Trường hợp chịu lực Tmax Trong trường hợp có khác bước thiết lập ngoại lực: Ngoài chịu lực tiếp tuyến lớn Tmax, khuỷu trục chịu thêm lực pháp tuyến Z lực ly tâm Các lực thiết lập có giá trị lực Zo = 9576,2 N lực Tmax = 2007 N, với lực Zo lực tổng hợp lực Z lực ly tâm Kết mô rằng, ứng suất nhỏ trục khuỷu chịu lực Tmax 4,994.10-1 N/m2 ứng suất lớn 9,846.107 N/m2 nhỏ giá trị ứng suất cho phép vật liệu làm trục khuỷu 1,723.108 N/m2, trục khuỷu thỏa mãn yêu cầu độ bền Cũng trường hợp nêu trên, trường hợp ứng suất lớn trục khuỷu nằm vị ví góc chuyển tiếp cổ trục má khuỷu Trong đó, độ chuyển vị nhỏ lớn trục khuỷu có giá trị 1.10-30 mm 0,007542 mm Trong trường hợp này, với lực tác dụng 9576,2 N 2007 N, trục khuỷu có độ chuyển vị lớn nằm vị trí phía nửa chốt khuỷu Khuỷu trục chịu lực tiếp tuyến lớn Tmax có độ biến dạng nhỏ 1,341.10-12 độ biến dạng lớn 0,000392 độ biến dạng lớn trục khuỷu xuất vị trí góc lượn cổ trục với má khuỷu tương tự hai trường hợp Từ kết tổng hợp ba trường hợp chịu lực theo bảng Bảng Kết mô trục khuỷu ba trường hợp chịu lực STT Các trường hợp chịu lực tác dụng Khởi động Chịu lực Zmax Chịu lực Tmax Ứng suất lớn (N/m2) 4,830.107 8,911.106 9,846.107 Chuyển vị lớn (mm) 0,003694 0,000646 0,007542 Độ biến dạng lớn 0,000190 0,000029 0,000392 Nhìn vào bảng thấy rằng, trường hợp khuỷu trục chịu lực Tmax có giá trị ứng suất lớn nhất, độ chuyển vị lớn độ biến dạng lớn nhất, lớn hai trường hợp khởi động trường hợp chịu lực Zmax Cụ thể là: Trường hợp khởi động, với lực tác dụng lên chốt khuỷu có độ lớn 12451 N, lớn lực tác dụng lên chốt khuỷu trường hợp chịu lực Zmax với giá trị 2178 N, giá trị ứng suất, chuyển vị độ biến dạng trường hợp lớn trường hợp Cả hai trường hợp này, lực tác dụng lên chốt khuỷu có phương thẳng đứng theo phương pháp tuyến, làm trục khuỷu bị uốn biến dạng mô Trường hợp chịu lực Tmax, với lực tác dụng lên chốt khuỷu có giá trị 9576,2 N 2007 N Trường hợp này, khuỷu trục vừa chịu lực tác dụng theo phương pháp tuyến, vừa chịu lực tác dụng theo phương tiếp tuyến, kết trường hợp lớn hai trường hợp Kết luận Trục khuỷu chi tiết máy chịu tải trọng lớn thay đổi theo chu kỳ nên trình làm việc, trục khuỷu chịu ứng suất phức tạp: ứng suất uốn, ứng suất xoắn,… Vì vậy, trục khuỷu thường bị hư hỏng vật liệu bị mỏi, thiếu sức bền độ cứng vững,… Do thiết kế cần ý nâng cao độ bền độ cứng vững trục khuỷu, để đảm bảo cho động làm việc lâu dài Kết mô kiểm tra sức bền phương pháp mô sở áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn, cho ta thu kết ứng suất lớn tập trung góc chuyển tiếp cổ trục má khuỷu, chốt khuỷu với má khuỷu (các góc lượn) Các kết cho thấy rằng, trục khuỷu đảm bảo độ bền điều kiện làm việc chịu tải trọng tác động lớn Thông qua kết nghiên cứu làm tài liệu tham khảo làm sở cho tính tốn thiết kế chế tạo trục khuỷu cho động cụ thể nhằm giảm công sức cho công đoạn nêu Đặc biệt Việt Nam việc nâng cao công suất động xe máy giải pháp “đơn dên xốy nịng” tức thay truyền dài hay tiện bớt phần xy lanh thay piston lớn mục đích để tăng tỉ số nén tăng thể tích xy lanh nhằm tăng cơng suất mô men động tương đối phổ biến Kết nghiên cứu ứng dụng để lựa chọn vật liệu http://jst.tnu.edu.vn 282 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 277 - 283 khối lượng phù hợp để đảm bảo độ bền trục khuỷu theo kích thước piston, xy lanh truyền TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] T H T Tran, Design calculation of the internal combustion engine Publishing company Danang University, 2007 [2] T T Nguyen, “Testing of conecting rod manufacturing materials by simulation shoftware,” Vietnam Mechanical Engineering Journal, no 6, pp 32-35, 2016 [3] P Thejasree, G D Kumar, and S L P Lakshmi, “Modelling and Analysis of Crankshaft for passenger car using ANSYS,” Materialstoday, vol 4, no 10, pp 11292-11299, 2017 [4] B Yu, Q Feng, and X Yu, “Dynamic simulation and stress analysis for reciprocating compressor crankshaft,” Journal of Mechanical Engineering Science, vol 227, no 4, pp 845-851, 2012 [5] S Efendi and Andoko, “Design and Simulation of Cracks in A Four-Cylinder Engine Crankshaft Using Finite Element Method,” IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol 494, International Conference on Mechanical Engineering Research and Application 23–25 October 2018, Malang, Indonesia, 2018 [6] M F Zainudin, A B Rosli, G L Ming, T Z S Ali, and B A Sup, “Design and Stress Simulation of Crankshaft for Slider-Crank Drive Stirling Engine,” Applied Mechanics and Materials, vol 699, pp 678-683, 2020, doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.699.678 [7] Honda, “Honda part diagrams,” 2020 [Online] Available: https://www.bike-parts-honda.com/hondamotorcycle/350MOTO/XL/1988/XLX350RJ/Engine/PISTON CRANKSHAFT/13KV2JB1/E 1100/1/12460 [Accessed Dec 27, 2020] http://jst.tnu.edu.vn 283 Email: jst@tnu.edu.vn ... trục khuỷu động xy lanh nên trường hợp thứ trường hợp thứ Do tính sức bền cho trục khuỷu trường hợp 1, Mô trục khuỷu động xy lanh Theo kết tính tốn độ bền nêu trên, trục khuỷu động xy lanh có trường... thiếu sức bền độ cứng vững,… Do thiết kế cần ý nâng cao độ bền độ cứng vững trục khuỷu, để đảm bảo cho động làm việc lâu dài Kết mô kiểm tra sức bền phương pháp mô sở áp dụng phương pháp phần... thời kiểm nghiệm độ bền trục khuỷu sở nghiên cứu nhằm tạo trục khuỷu đáp ứng yêu cầu chế độ làm việc loại động xy lanh đơn khác nhau, góp phần làm giảm thời gian chi phí thử nghiệm Động xy lanh